Abstrak —  Pengukuran  konsentrasi  alkohol  merupakan hal  yang  sangat  penting  dalam  pencampuran  suatu  larutan kimia.  Pada  umumnya,  pengukuran  konsentrasi  alkohol menggunakan metode yang konvensional yang membutuhkan  waktu  yang  cukup  lama.  Metode Non- Dispersif  Infrared (NDIR)  mampu  mengukur  konsentrasi alkohol  tanpa  ada  kontak  langsung  dan  membutuhkan waktu  uji  yang  relatif  cepat.  Pada  sistem  NDIR,  sinar inframerah  yang  dikeluarkan  oleh  sumber  akan  melewati tabung  sampel  sehingga  sinar  akan  diserap  oleh  partikel hidrokarbon dari alkohol yang kemudian dibaca oleh sensor inframerah.  Pada  penelitian  ini,  sumber  inframerah  yang digunakan  berasal  dari  kawat  nikelin  berukuran  19 Gauge yang dipanaskan pada suhu 60°C dengan kontrol PID. Sinar inframerah  yang  terserap  akan  diterima  oleh  thermopile yang  kemudian  dikonversikan  menjadi  tegangan.  Dari  hasil penelitian  didapatkan  bahwa  nilai  penyerapan  alkohol berbanding  lurus  terhadap  besarnya  konsentrasi  dimana semakin  besar  konsentrasi  maka  semakin  tinggi  nilai absorbansinya.  Nilai  absorbansi  pada  aquades  adalah  0 sedangkan  nilai  absorbansi  pada  alkohol  20  %  berada  pada 0.15 dan alkohol 60 % adalah 0.26.
Kata  Kunci —Sensor  inframerah,  non-dispersif,  alkohol, thermopile , PID

## I. PENDAHULUAN
LKOHOL  merupakan  salah  satu  bahan  berbahaya yang  dalam  kadar  tertentu  dikonsumsi  oleh masyarakat.  Dewasa  ini  sebagian  besar  alkohol dimanfaatkan sebagai bahan makanan, maupun pencampur minuman.  Karena  kadar  alkohol  yang  berlebihan  dapat menimbulkan  bahaya  bagi  konsumen  maka  perlu  adanya sebuah  alat  untuk  mengukur  alkohol  secara  tepat  dan cepat.  Misalnya  pada  bidang  analisa  untuk  mengukur konsentrasi  cairan  biasanya  digunakan  proses  kimia  yang memakan  waktu  serta  perlu  untuk  menyentuh  sampel.. Untuk  membuat  sistem  Non-Dispersif  Inframerah  ini maka digunakan prinsip penyerapan gelombang inframerah  untuk  mendeteksi  konsentrasi  alkohol  yang berdasarkan hukum Beer-Lambert.
Non-Dispersif  Infrared  (NDIR)  merupakan  salah satu  dari  teknik  yang  paling  sering  digunakan  untuk mendeteksi  larutan  dengan  optik  [1].  NDIR  ini  dapat dibuat  menggunakan  komponen  yang  murah  dan sederhana. Prinsip utamanya adalah penyerapan partikel

## Gambar 1. Grafik Absorbansi Alkohol
hidrokarbon  alkohol  pada  panjang  gelombang  tertentu yang  dikeluarkan  oleh  gelombang  IR  yang  dipancarkan kawat nikelin. Gelombang IR ini diterima oleh thermopile yang  merubah  data  IR  menjadi  bentuk  tegangan.  Data inilah  yang  akan  dijadikan  patokan  dari  Hukum  Beer- Lambert.  Data  tersebut  dikirim  oleh  mikrokontroler STM32F4  menuju  PC  untuk  dicari  rata-rata  intensitas tegangan  ketika  udara  bersih  dan  ketika  berisi  alkohol. Dari perbedaan itulah dapat diketahui konsentrasi alkohol yang berada pada tabung.

## II. TEORI PENUNJANG

## A. Alkohol
Alkohol  adalah  kelompok  senyawa  yang  mengandung satu  atau  lebih  gugus  fungsi  hidroksil(-OH)  pada  suatu senyawa  alkana.  Alkohol  merupakan  salah  satu  pelarut yang  umum  digunakan  setelah  air.  Etanol  atau  biasa disebut etil alkohol adalah salah satu senyawa  yang dapat ditemukan  pada  minuman  beralkohol  dan  obat-obatan serta  memiliki  rumus  kimia  CH 3 CH 2 OH  [2].  Etanol termasuk obat psikoaktif, yang berarti zat atau bahan yang bekerja  secara  selektif  terutama  pada  otak  sehingga  dapat menimbulkan  perubahan  perilaku,  emosi,  persepsi  dan kesadaran  sistem  saraf  otak.  Ketika  bertabrakan  dengan sinar  inframerah,  atom-atom  alkohol  akan  bergetar  serta menyerap  inframerah  tersebut.  Grafik  absorbansi  dari alkohol dapat dilihat pada gambar 1.

## B. Non-Dispersif Inframerah
Non-Dispersif  Infrared  merupakan  sebuah  metode spektroskopi  yang biasa digunakan untuk mendeteksi gas. Disebut  non-dispersif  karena  metode  ini  melewatkan semua panjang gelombang inframerah dengan intensitas
Faraha Pambayun, Muhammad Rivai, dan Fajar Budiman Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : muhammad_rivai@ee.its.ac.id

## Aplikasi Non-Dispersif Infrared Sensor untuk Mengukur Konsentrasi Alkohol
A

## Gambar 2. Ilustrasi NDIR
tertentu  melalui  tabung  sampel  tanpa  deformasi.  NDIR memiliki  kelebihan  pada  desain  yang  simple  dan menggunakan  komponen  buatan  tangan  yang  murah  [3]. Terdapat  tiga  komponen  utama  dari  non-dispersive infrared  sensor  yaitu,  sumber  inframerah,  tabung  sampel dan  pendeteksi  inframerah  yang  dalam  hal  ini  adalah thermopile . Ilustrasi dari NDIR dapat dilihat pada gambar 2.  Cahaya  inframerah  di  arahkan  melalui  tabung  sampel dan kemudian menuju detektor inframerah.

## C. Hukum Beer-Lambert
Prinsip  kerja  NDIR  berdasarkan  hukum Beer-Lambert [4],  bila  cahaya  monokromatik  melalui  suatu  media (larutan), maka sebagian cahaya tersebut diserap, sebagian dipantulkan,  dan  sebagian  lagi  dipancarkan.  Transmitansi adalah perbandingan intensitas cahaya yang ditransmisikan  ketika  melewati  sampel  (I)  dengan intensitas  cahaya  mula-mula  sebelum  melewati  sampel (Io).  Berdasarkan  hukum Beer-Lambert ,  rumus  yang digunakan untuk menghitung absorbansi dapat dilihat pada persamaan 1 [5].
I Io Log LogT A 10 10  

## D. Sumber Inframerah
Sumber  Inframerah  adalah  sebuah  benda  yang mengeluarkan atau  mengemisikan sinar inframerah  Setiap benda  yang  mengeluarkan  panas  bisa  menjadi  sumber inframerah  dengan  intensitas  tertentu.  Pada  sistem  ini digunakan sumber inframerah berbahan dasar nikrom atau nikelin  yang  dapat  dilihat  pada  gambar  3.  Sumber inframerah  ini  memiliki  rentang  panjang  gelombang inframerah yang besar yaitu antara 0.7 – 20 µm. Kawat ini juga memiliki titik leleh yang tinggi berada di sekitar 1400 ◦C. Kawat nikelin yang digunakan berukuran 19 gauge dan memiliki panjang 10 cm serta memiliki resistansi 1.5 Ω.
Sumber ini tidak bisa langsung mengeluarkan logika 1 atau  0  karena  seperti  kawat  pada  umumnya  panas  suatu konduktor menurun secara perlahan. Kawat ini memanfaatkan hukum Wien’s  Displacement yang berbunyi  “ Panjang  gelombang  yang  membuat  intensitas radiasi  maksimum  untuk  suatu  benda  hitam  bergeser  ke arah  panjang  gelombang  yang  lebih  pendek  saat  suhu benda  hitam  menjadi  lebih  panas.” Persamaan Wien’s dapat dilihat pada persamaan 2.
Gambar 3. Kawat Nikrom 19 Gauge Gambar 4. Bentuk Thermopile
T b   (2)
b : Konstanta Wien’s = 2,90 x 10 -3 m K λ : Panjang Gelombang (µm) T : Suhu Benda (Kelvin)

## E. Thermopile TS-118
Thermopile biasa  digunakan  untuk  pengukuran  suhu tanpa  sentuh  (contactless).  Sensor  ini  memanfaatkan perpindahan  panas  yang  dipancarkan  suatu  benda,  setiap benda  yang  memiliki  panas  selalu  memancarkan gelombang  IR.  Gelombang  inilah  yang  ditangkap  oleh bahan passive IR di dalam Thermopile lalu diubah menjadi tegangan listrik pada orde μV [6].
Bahan  di  dalam thermopile terdiri  dari  beberapa thermocouples  yang  dirangkai  seri  maupun  paralel. Thermopile tidak  merespon  suhu  yang  absolute,  akan tetapi thermopile mendeteksi  perbedaan  temperature sekitar sebanding dengan output tegangan yang dikeluarkan.  Sama  seperti  thermocouple, thermopile ini memanfaatkan  Efek  Seebeck  yang  merubah  sebuah perbedaan  panas  menjadi  tegangan  elektrik.  Ilustrasi  dari bentuk thermopile dapat dilihat pada gambar 4.

## F. STM32F4-Discovery
STM32F4  merupakan  mikrokontroler  berbentuk  modul yang  di  dalamnya  terdapat  prosesor  berarsitektur  32-bit ARM Cortex-M4F  yang  memiliki pengolahan data  sangat cepat. Modul ini sudah dilengkapi downloader STM yaitu ST-Link/V2 untuk men- erase maupun men- flash . STM32F4  ini  memiliki  1  MB  Flash  dan  192  Kb  RAM pada LQFP 100 paket, serta memiliki dua eksternal power supply 5  dan  3  V.  ADC  ( Analog  to  Digital  Converter) internalnya  memiliki  16  kanal  sumber  tegangan  luar,  2
(1)
kanal  untuk  sumber  tegangan  internal  dan  1    kanal  V BAT , ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 5. STM32F4-Discovery
Gambar 6. Block Diagram ADC
Resolusinya  bisa  diatur  menjadi  12-bit,  10-bit,  8-bit  atau 6-bit.  Terdapat  2  mode  konversi  yaitu  mode single dan mode continuous .  Dua  atau  lebih  ADC  dapat  digunakan secara bersamaan karena terdapat Dual/Triple Mode [7].

## III. PERANCANGAN SISTEM
Secara  umum  sistem  terdiri  atas  perangkat  keras  dan perangkat lunak. Perangkat keras dari sistem berupa sensor thermopile ,  blok  untuk  mengontrol  suhu  sumber inframerah, power  supply ,  sumber  inframerah,  penguat sinyal serta modul STM32F4. Sedangkan perangkat lunak yang digunakan adalah software Coocox sebagai compiler STM32F4  dan software komputer  Diagram  blok  sistem dapat dilihat pada Gambar 7.

## Gambar 7. Blok Diagram Kerja Sistem

## Gambar 8. Blok Diagram Sistem secara Keseluruhan
Sistem  yang  dirancang  ini  memiliki  fungsi  untuk mendapatkan  nilai  absorbansi  inframerah  terhadap konsentrasi alkohol yang diuji. Cara kerja sistem ini secara keseluruhan adalah sebagai berikut.
1. Kawat nikrom memancarkan gelombang IR beberapa intensitas yang berbeda.
2. IR melewati tabung sampel menuju thermopile 3. Thermopile yang  memiliki  filter  optik  akan menyaring  gelombang  IR  antara  8-14  µm,  intensitas  IR akan  diubah  menjadi  tegangan  dan  dibaca  oleh  ADC pada mikrokontroler 4. STM32F4 akan mengolah data ADC dan mengirimkan data ke komputer.
5. Data  Io  dan  I  akan  diolah  sehingga  diketahui konsentrasi alkohol.
Pada perancangan perangkat lunak sistem NDIR  terdiri dari  akuisisi  data  tegangan  sensor  dan  pengiriman  data tegangan  sensor  ke  PC  untuk  diolah.  Akuisisi  data  pada penelitian ini menggunakan dua kanal ADC STM32F4 12- bit, yang berfungsi untuk  mengakuisisi data sensor LM35 dan  sensor  thermopile.  Hasil  perancangan  sistem perangkat  keras  dari  penelitian  ini  dapat  dilihat  pada gambar 10.
Gambar 10.  Non-Dispersif Infrared (a) (b) Gambar 11. (a) Grafik Kawat suhu 60◦C, (b) Grafik tegangan Thermopile

## IV. HASIL PENGUJIAN
Pengujian  ini  bertujuan  untuk  menganalisa  perubahan keluaran thermopile terhadap suhu kawat yang mengeluarkan  gelombang  inframerah.  Pada  gambar  11 dapat  dilihat  pengujian thermopile ketika  sumber inframerah  bersuhu  60  °C.  Untuk  perubahan  thermopile berdasarkan  suhu  sumber  inframerah  dapat  dilihat  pada tabel 1.

## A. Pengujian Keluaran Thermopile
Rata-rata  yang  didapatkan  dari  suhu  60°C  sumber inframerah  adalah  tegangan thermopile 138,47  mV.  Pada gambar  11.a  dan  11.b  tersebut  memiliki  pola  yang  sama. Keluaran  tegangan thermopile akan  berbeda  tergantung dari  suhu  dari  sumber  inframerah.  Semakin  tinggi  suhu
yang dikeluarkan maka akan semakin tinggi pula tegangan yang  dihasilkan  sensor.  Jarak  pengujian  dari  sumber inframerah  dengan  sensor  adalah  3.5  cm  dan  terdapat tabung  sampel  di  antara  keduanya.    Terjadi  noise  pada keluaran  thermopile  sebesar  23  Hz  yang  menyebabkan nilai keluaran thermopile berubah sebesar ±10 mV.

## B. Pengujian Data Sampel Alkohol
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  membandingkan  antara keluaran thermopile ketika di isi oleh udara bersih dengan gas  alkohol  konsentrasi  berbeda.  Pengujian  ini  juga berfungsi  untuk  mencari  nilai  linearitas  dari  absorbansi sumber inframerah ditunjukkan tabel 2
Tabel 1 Suhu Sumber IR VS Tegangan Thermopile
Suhu Sumber IR(°C)  Tegangan Thermopile(mV) 40 71.506 50 116.84 60 138.47 70 164.32
Gambar 12. Tegangan Thermopile VS Suhu Sumber IR
Tabel 2 Pengujian Sistem NDIR pada Suhu 60 ◦ C Sampel Io (mV) I(mV) T A Aquades 150.4288 152.5135 0.986 -0.00598 20% 207.2493 202.6017 1.02294 0.00985 60% 138.092 131.6686 1.048785 0.030686 1) Thermopile pada suhu 60 ◦C dengan Aquades
30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 1 74 147 220 293 366 439 512 585 658 731 804 877 950 102 3 109 6 116 9 Su h u (C ) Waktu (0.1 Detik) Sumber IR 0 50 100 150 200 1 81 161 241 321 401 481 561 641 721 801 881 961 104 1 112 1 Te gan gan (m V) Waktu (0.1 Detik) Thermopile 60 70 90 110 130 150 170 40 50 60 70 Te ga n ga n (mV) Suhu (°C) Tegangan Thermopile Power Supply STM 32 F4 Modul Blok NDIR Pompa udara kering
Gambar 15.  Bentuk Tegangan Thermopile saat tabung berisi aquades
2) Thermopile pada  suhu  60  ◦C  dengan  Alkohol
20%
Gambar 16.  Bentuk  Tegangan Thermopile saat  tabung  berisi  alkohol
20% 3) Thermopile pada  suhu  60  ◦C  dengan  Alkohol
60%
Gambar 17.  Bentuk  Tegangan Thermopile saat  tabung  berisi  alkohol 60%

## C. Absorbansi Thermopile
Pada  penelitian  ini  pengujian  alkohol  untuk  mencari linearitas  yang  digunakan  adalah  aquades,  alkohol  20  % dan  60%  untuk  mencari  nilai  regresi  dari  penyerapan thermopile . Hasil pengujian dapat dilihat pada gambar 15, 16  dan  17.  Dari  nilai  regresi  tabel  3  diperoleh error dari pengujian terhadap 7 sampel, antara lain aquades, alkohol 10  %,  20  %,  30%,  40%,  50  %  dan  60%.  Masing-masing sampel  dilakukan  percobaan  sebanyak  lima  kali  dengan waktu pembersihan tabung selama 15 menit
Tabel 3 Pengujian Error Sistem NDIR Sampel Nilai Terbaca(%) | Error | (%) 0% -4.4453 4.4453 10 % 16.8257 6.8257 20 % 28.3533 8.3533 30 % 32.922 2.9223 40 % 55.8296 15.8296 50 % 61.8585 11.8585 60 % 89.9268 29.9268 . Error yang  terjadi  pada  saat  tabung  dimasukkan sampel  aquades  dan  alkohol  10-30%  terlihat error yang kecil  dibawah  10  %.  Sedangkan  pada  alkohol  40%-60% terjadi error yang lebih besar

## V. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  dibangun  sebuah  sistem Non-Dispersive  Infrared  yang  mengukur  konsentrasi alkohol  dengan  melihat  perubahan  keluaran thermopile serta  menggunakan  mikrokontroler  STM32F4-Discovery Pada  pengukuran thermopile terhadap  cahaya  inframerah kawat  nikelin,  memiliki  kecenderungan  yang  signifikan terhadap  uap  alkohol.  Semakin  besar  konsentrasi  alkohol maka semakin besar nilai absorbansi. Untuk menghasilkan intensitas  inframerah  yang  konstan  digunakan  kontroler PID dengan Konstanta Kp, Ki, dan Kd adalah 60, 0.01 dan 0.5. E rror dari sistem NDIR ini ketika diuji menggunakan sampel  aquades  dan  alkohol  konsentrasi  10-30%  adalah 10%,

## DAFTAR PUSTAKA
[1] H.  jane,  S.  Richard,  O.H  Wah, R.S  John,"Non-Dispersive  Infrared (NDIR) measurement of Carbon Dioxide at 4.2um in a compact and optically  efficient  sensor",  Journal  Science  Direct  Sensor  and Actuator B : Chemical,2013
[2] Organic chemistry IUPAC nomenclature. Alcohols Rule C-201.
[3] Crawley, Louise Helen, "Application of Non-Dispersive Infrared(NDIR)  Spectroscopy  to  the  Measurement  of  Atmospheric Trace Gases", Thesis Master of Science in Environmental Science, University of Canterbury, Christchurch, New Zealand
[4] Beran,  J.A.,  1996,  “Chemistry  in  The  Laboratory  2nd  Edition”, Malawi, Halsted Press.
[5] Fajar  Budiman,”Rancang  Bangun  Sistem  Pendeteksi  Jenis  Cairan Menggunakan Sensor Fotodioda dan Pyroelectric Infrared”, Tugas Akhir S1 Teknik Elektro ITS Surabaya, 2010.
[6] Thermopile Sensor TS-118, www.yc-dz.com
[7] Data Brief STM34F4, www.st.com