Infrared

INFRARED ANALYZER

(untuk CO, CO₂, CH₄)

Analisis dengan cahaya.

Dalam menganalisa gas dalam gas lain infrared analyzer menggunakan pancaran cahaya, dan gas yang dianalisa beberapa jenis gas yang terkandung dalam gas lain (seperti CO, CO₂, CH₄  da lain-lainnya). Pancaran cahaya memiliki daerah  (spectrum) panjang gelombang yang luas. Panjang gelombang tersebut mempunyai satuan nm (nanometer – 0.001 m). Spectrum cahaya dapat dilihat pada tabel 

Tabel Spectrum pancaran cahaya.

Jenis pancaran	Pancaran gelombang
Ultra violet Cahay tampak Infra merah	100-400  m 400-700 m 700-1000000 m

Panjang gelombang pancaran infra merah sampai 1,000,000 nm atau 1000 m atau 1 mm.

Jika cahaya mengenai sebuah benda, sebagian cahaya akan dipantulkan dan sebagian lagi diserap dan sebagian cahaya akan diteruskan ke benda lain, Banyaknya pancaran yang dipantulkan, diserap dan diteruskan tergantung pada bahan pada benda tersebut, dari hasil uji coba pertama didapatkan sebagai berikut ;

1.      Logam yang permukaannya dipoles mengkilat akan banyak sekali memantulkan cahaya sama sekali tidak meneruskan cahaya.

2.      Sedangkan kaca jendela banyak sekali meneruskan cahaya dan sedikit memberi pantulan.

Dari kedua hasil uji coba tersebut diatas didapatkan bahwa  pemantulan, penyerapan dan penerusan cahaya ke benda lain sering tidak sama untuk setiap panjang gelombang, dengan percobaan lainnya :

a.       Cairan bir dalam gelas meneruskan lebih banyak cahaya berwarna kuning dari pada warna lainnya ( pada cahaya tampak, panjang gelombang menunjukan warna).

b.      Daun tanaman memantulkan lebih banyak warna hijau.

Sifat seperti ini kemudian dimamfaatkan untuk melakukan analisis, yaitu membedakan benda atau zat yang satu dengan zat yang lainnya serta mengukur kandungannya. Dari hasil percobaan tersebut dapat membedakan satu zat dari zat lainnya diamati menggunakan infra merah. Pada panjang gelombang 7m dan 15 m. Karena itu instrument analitik yang menggunakan pancaran cahayanya hampir selalu bekerja didaerah ini, dan secara umum disebut Infrared Analyzer.

Selain menggunakan panjang gelombang juga dipergunakan bilangan gelombang yang merupakan kebalikan dari panjang gelombang, yaitu menyatakan jumlah gelombang dalam satu centimeter dan mempunyai satuan cm^-1, panjang gelombang 800 nm atau m mempunyai pengertian sama dengan bilangan gelombang 125000 cm^-1, dan panjang gelombang 1m artinya sama dengan bilangan 10 cm^-1 .

Prinsip Infrared Analyzer.

Secara garis besar instrument analitik yang menggunakan pancaran infra merah dapat dibagi atas dua bagian:

1.      Instrument dispersif (dispersif analyzer)

2.      Instrument tidak dispersif (nondispersif analyzer)          

a.      Instrument dispersif.

Alat jenis ini terdapat sumber pancaran infra merah, Berkas infra merah yang dihasilkan dilewatkan pada zat contoh. Dengan bantuan komponen penguraian (komponen dispersif), pancaran yang diteruskan oleh zat contoh diuraikan atas panjang gelombang dan kemudian diukur intensitasnya pada setiap panjang gelombang.

Contoh komponen penguraian (khusus cahaya yang tampak) adalah prisma gelas lihat gambar 8.4.1 memperlihatkan prinsip perangkat instrument dispensif yang menggunakan prisma.

Gambar 8.4.1 Prinsip instrument tidak dispensip (cahaya tampak)

Dispensif analyzer disebut juga spectrophometer,  karena  alat  ini  melakukan  pengukuran  (-meter), terhadap energi cahaya (-photo-), pada daerah panjang gelombang  (spectro-) yang tertentu. Seperti yang dijelaskan pada tabel 8.4.1 daerah kerja infra merah. Akibatnya prisma gelas tidak dapat digunakan, karena pancaran infra merah tidak tembus gelas, sebagai gantinya digunakan kisi (grating) yang juga bersifat menguraikan panjang gelombang.

Gambar 8.4.2 Perangkat spectrofotometer.

Gambar 8.4.2 memperlihatkan perangkat spectrophotometer yang menggunakan kisi. Perangkat tersebut sumber  infra merah  menghasilkan  dua  berkas  yaitu  berkas yang  melalui  contoh ( sample beem) dan berkas refferance. Dengan chopper, kedua berkas ini secara bergantian diteruskan ke bagian instrument berikut, cermin disebelah kanan atas memantulkan berkas pancaran ke kisi, dan juga memantulkan berkas yang telah terurai dari kisi kedetektor disebelah kiri gambar. Perhatikan bahwa untuk mengarahkan serta memusatkan berkas digunakan cermin dan bukan lensa, karena seperti disebut diatas, pancaran infra merah tidak diteruskan karena tidak dapat menembus kaca atau gelas.

Contoh pengukuran dengan spectrofotometer dapat dilihat gambar 8.4.3 hasil tersebut diperoleh dari gas contoh yang dicampur dengan nitrogen untuk mendapatkan tekanan 600 mmHg. Terlihat setiap gas mempunyi spectrumnya sendiri yang khas, sehingga antara yang satu dengan yang lainnya dapat dibedakan.

Gambar 8.4.3 Contro hasil pengukuran dengan spectrofotometer.

b.      Instrument nondispersif.

Pada instrument nondispersif ini disebut Nonndispersive Infrared Analyzer disingkatkan NDIR, pengukuran terhadap gas contoh dilakukan tampa menguraikan berkas infra merah, sebagai pengganti digunakan filter hanya melewat gelombang tertentu, yang sesuai dengan spectrum zat yang akan diukur, sebagai contoh mengukur kandungan gas CO, digukan filter yang akan melakukan panjang gelombang di sekitar 4,6 m, dimana daerah ini terdapat ciri-ciri khas gelombang CO. lihat gambar 8.4.2.

Perangkat NDIR dapat dilihat pada gambar-3, dan grafik absorbansi (banyak penyerapan) oleh CO diperlihatkan pada gambar-4.  Berdasarkan harga obsorbansi yang diukur dengan NDIR, konsentrasi gas dapat ditentukan. Prinsip karja nondispensif inilah yang dipergunakan oleh  Backman Model 815 akan diuraikan dibawah ini.

Gambar 8.4.4  Absorbansi (banyaknya penyerapan) gas CO tergantung pada konsentrasinya.

 Backman model 815

      1.   Cara kerja instrument Backmann model 815 adalah noodispersif

Instrument ini dimaksud mengukur secara terus menerus konsentrasi komponen tertentu pada zat contoh ( sample point). Lihat gambarn 8.4.5, Yang pertama sample (contoh) gas mengalir lewat sample cell, gas refferance telah terisi dalam referance cell dan tertutup rapat dan tidak menyerap pancaran infra merah. Berkas infra merah diarahkan  pada detector yang merupakan “micropon gas” berdasarkan prinsip luft.

Gambar 8.4.5 Sistem ditector

Detektor dibagi atas dua ruangan yang dipisahkan oleh diapragm logam yang tipis. Kedua ruangan diisi dengan gas yang dapat menyerap pancaran infra merah sehingga jika berkas memasuki detector, gas menjadi panas dan mengembang. Tapi pemuaian ruang sebelah sebelah kanan tidak sama dengan sebelah kiri, Karena kedua berkas infra merah yang masuk  sekarang tidak sama kuat. Hal ini disebabkan oleh absorbansi atau penyerapan gas contoh tidak sama dengan penyerapan referance gas. Akibat diapragm yang semula datar akan melengkung kekanan atau kekiri.

Gmabar 8.4.6 rangkaian mudulator ditektor

Pelengkungan diapragm tergantung pada konsentrasi zat dalam gas contoh. Untuk mengukur kelengkungan ini , diapragm dipasang sebagai kondensator. Jadi ada plat lain yang kaku dan sejajar dipasang dekat diapragm. Jika diapragm melengkung, jarak terhadap plat berobah sehingga harga kapasitansinya berobah. Sementara kondensator dihubungkan dengan kumparan yang akan membentuk rangkaian modulator lihat gambar-5. dalam hal ini subuah kondensator yang terangkai dengan kumparan akan mempunyai frequensi resonasi sebesar :

Dimana:

            L = harga induksi kumparan

            C = harga kapasitansi kondensator

Jika berkurang ( karena menjauh dari plat), maka frequensi resonasi akan naik. Rangkaian LC ini mendapat signal dari detector kristal 10 khz. Jika Rangkaian resonasi LC juga ditala pada frequensi 10 Mhz,  maka kedua frequensi tersebut sesuai dan signal mencapai maximum. Lihat gambar 8.4.7           

gambar 8.4.7 kurva frequensi modulator

Sekarang jika Kapasitansi berkurang. Frequensi resonasi LC naik sehingga kurva bergeser kekanan, lihat gambar 8.4.7 . Frequensi LC tidak lagi cocok dengan frequensi osilator, sehingga signal diukur sepanjang garis putus vertical. Jadi perobahan kapasitansi pada akhirnya menyebabkan perobahan amlitudo signal 10 Mhz, sehingga terjadi modulasi amplitudo.

Dengan demikian, prinsip kerja detector secara singkat berurutan adalah :

1.      Dua infra merah yang sama kuat masing-masing memasuki sel contoh (sample cell), dan sel referance . Karena absorbansi, berkas yang keluar tidak lagi sama kuat.

2.      kedua berkas yang keluar tersebut diterima oleh microphone gas. Gas didalam menjadi panas dan diapragma mengembang kekiri dan kanan tidak sama, terjadi lengkungan diapragma.

3.      Dengan melengkung diapragm maka nilai kapasitansi berobah.

4.      Perobahan kapasitansi menggeser frequensi resonasi LC.

5.      pergeseran frequensi LC menyebab modulasi amlitudo pada signal 10 Mhz.

Untuk mempermudah pengolahan signal ( antara lain menghidari penyimpangan), kedua infra merah dipotong oleh chopper pada frequensi 10 Mhz .

Gambar 8.4.8 block diagram infrared analyzer

Lihat blok  gambar 8.4.8 , Terdiri dari tiga bagian yaitu , Detektor dan  bagian osilator, signal dari sini menuju filter penyearah , terakhir signal masuk ke amplifir  (bagian penguat)

Table 8.4.2  Kemungkinan yang dapat dilakukan Backman Model 864/865

 KALIBRASI INFRARED ANALYZER MODEL 815.

1. Lokal Panel.

-          Sisi bagian bawah terdapat (1) Sample Inlet, (2) Sample outlet (vent), Kabel power, -signal out ke Control Room.

-          Lokal panel dibuka, pada sisi kanan akan terlihat Control Board yang berisikan Zero adjust, Span adjust dan Mode Switch dan Komponen elctronic seperti, Signal board dan linearity board. Dan sisi sebelah kiri akan terliahat power supply, equipment untuk cell, case temp. control, Current output.

Gambar 8.4.9 Komponen setting Thermal conductivity

2.      PERSIAPAN KALIBRASI

a.       Untuk pengukuran dan kalibrasi,  Sample inlet dihubungkan dengan sample dari proses, dan kalibrasi baik untuk Zero standar gas dan Span standar gas melalui fitting yang sama. Lihat gambar 8.4.10.

b.      Zero standar gas yang dipergunakan adal Netrogen.

c.       Span Standard gas digunakan 100% Full Scale dari range pengukuran adalah 10% CH₄. 

3.      KALIBRASI

1.      Lihat gambar 8.4.10, Tutup Niddle valve sample dan Span gas, Buka niddle valve Zero gas , atur rotameter sehingga indikasi gas flow ± 250 cc / Min Lihat Indikasi Digital Display output 0%  atau recorder output 4 mA, kalau tidak atur Zero Adjusment.

Gambar 8.410 Kalibras gas & Sample Gas connection

Catatan :   Sebelum dilanjudkan ke point 2 terlebih dahulu kita mengetaui fungsi dari Rotari MODE SWITCH, Mode Switch mempunyai empat posisi untuk memilih sebagai berikut.

                   Tune       Digunakan untuk posisi test secara berkala memeriksa dan tuning     osilator  sehingga didapatkan 10Mhz output  .

                    Detector  Untuk mengatur Pre-amlifier Gain.

                                            Range-1  Low konsentrasi Range

                                            Range-2  High konsentrasi Range

2.      Atur Mode switch ke range-2 (high Range)

, Tutup niddle valve Zero Standar gas,  Sample gas dan buka niddle valve span standar gas. Atur Span sehingga indikasi output 100%. Contoh : Jikalau full scale 10% dan Span gas 8.5 %, atur Span adjusment indikasi 85%  full scale., kalau linierity dipasang. Kalau linierity tidak digunakan, lihat data sheet.

3.      Ulangi step 1 dan 2 hingga hasil kalibrasi sesuai dengan yang diinginkan.

Jika nilai output kalibrasi tidak cocok periksa consentarsi gas kalibrasi di laboratorium.