TUGAS MATA KULIAH INSTRUMENTASI FLAME SENSOR (FLAME DETECTOR)
Disusun guna memenuhi ujian tengah semeser
Oleh: Nama : Khiptiatun Ni’mah Nim
: 141810201026
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS JEMBER 2017
FLAME DETECTOR (FLAME SENSOR)
A. Definisi Flame Detektor Dan Cara Kerja Flame detector merupakan alat optik yang digunakan untuk mendeteksi nyala api dengan menggunakan sensor optic untuk mendekteksinya. Di sini ditegaskan bahwa flame detector digunakan untuk mendeteksi keberadaan api, bukan panas. Api akan bisa dideteksi oleh keberadaan spectrum cahaya infra red maupun ultraviolet, dan dari situ semacam microprocessor dalam flame detector akan bekerja untuk membedakan spectrum cahaya yang terdapat pada api yang terdeteksi tersebut. Prinsip kerja dari alat ini adalah mendeteksi radiasi infra-red atau ultraviolet dari api yang menyala. Flame Detektor Bekerja mendeteksi Infra-red pada area yang diproteksi. Flame Detektor umumnya akan merespon jauh lebih cepat misalnya terjadi kebakaran yang diakibatkan oleh gas dan cairan yang mudah dibakar. Namun, flame detector tidak efektif digunakan jika kebakaran yang terjadi lambat. Flame detector memiliki banyak ukuran dan variasi namun secara umum yang perlu diketahui hanya terbagi menjadi tiga kelompok antara lain infra red flame detector dan ultraviolet flame detector serta gabungan antara keduanya. Namun pada implementasinya, terdapat sumber-sumber cahaya lain yang ternyata bukan api dan ikut menyumbang emisi cahaya pada gelombang infra red maupun ultraviolet dimana sumber-sumber cahaya ini juga mempengaruhi kinerja flame detector yang berakibat pada timbulnya false alarm. Contoh sumber-sumber cahaya ini adalah kilatan petir, welding arc, metal grinding, hot turbine, reactor, dan masih banyak lagi.
Flame sensor ini dapat mendeteksi nyala api yang memiliki panjang gelombang 760 nm ~ 1100 nm. Dalam banyak pertandingan robot, pendeteksian nyala api menjadi salah satu aturan umum perlombaan yang tidak pernah ketinggalan. Oleh sebab itu sensor ini sangat berguna, yang dapat Anda jadikan 'mata' bagi robot untuk dapat mendeteksi sumber nyala api, atau mencari bola. Cocok digunakan pada robot fire-fighting dan soccer robot. Sensor nyala api ini mempunyai sudut pembacaan 60 derajat, dan beroperasi pada suhu -25 - 85 derajat Celcius. Dan tentu saja untuk Anda perhatikan, bahwa jarak pembacaan antara sensor dan objek yang dideteksi tidak boleh terlalu dekat, untuk menghindari kerusakan sensor. Flame detector bekerja mendeteksi infra-red dan ultraviolet. Infra-Red (IR) flame detector akan menanggapi pancaran cahaya dari nyala api di daerah inframerah dari spektrum (modulasi pada 5 sampai 30 siklus per detik). I.R. flame detector dapat menanggapi kondisi kebakaran umumnya kurang dari 50 milidetik dan dirancang untuk mendeteksi kebakaran hidrokarbon. Sensor biasanya menggabungkan respon yang tertunda, dipilih dalam kisaran waktu 3-30 detik, untuk meminimalkan tanggapan terhadap sumbersumber api non-radiasi. Dengan cara ini alarm hanya dihasilkan oleh sistem yang berkelanjutan dengan tanda lampu dari IR berkedip-kedip karena adanya radiasi seperti
nyala api. Sensitivitas Infrared flame detector dipengaruhi oleh jarak perangkat dari sumber api, jika jarak dua kali lipat dari kebakaran maka deteksi terhadap api dapat dilakukan empat kali. Flame detector bekerja mendeteksi infra-red untuk area beresiko tinggi. Untuk daerah-daerah berisiko tinggi, Beberapa detektor dirancang untuk respon sangat cepat tidak memiliki fitur diskriminasi ‘berkedip’ tetapi memiliki dua sensor dengan respon spektral yang berbeda untuk membedakan api yang sebenarnya dari sumber lain radiasi IR. Flame detector bekerja mendeteksi Infrared, jenis UV. U.V. Flame Detectors merupakan detektor yang paling cepat dan mampu mendeteksinyala api untuk memancarkan cahayadi daerah ultra violet dari spektrum. Biasanya, U.V. Flame Detectors dapat menanggapi api dalam waktu kurang dari 10 mili detik dan dapat diaplikasikan pada industri yang memiliki potensi bahaya tinggi seperti pabrik petrokimia, pabrik amunisi dan tempat cairan atau padatan yang mudah terbakar dan meledak.
Gambar 1. Flame sensor Flame Detectors Api dapat mengalami ledakan pada kondisi atmosferik dan beberapa mampu dijelaskan bahaya-bahay secara spesifik. Kondisi atmosferik merupakan kondisi standar, temperatur sekitar 25 C dan tekanan 1 atm. Model dapat memiliki bidang
sudut pandang berkisar dari 90 hingga 180 derajat. Sensitivitas pabrik biasanya telah dientukan oleh vendor detector itu sendiri. UV Api Detektor tidak boleh digunakan di sekitar area welding, karena infrared dan UV akan merespon sinar UV yang dilepaskan oleh proses pengelasan. Hal ini dapat dijadikan tes alat sebelum alat ini digunakan pada kasus kebakaran yang sebenarnya.
Flame detector merupakan salah satu alat instrument berupa sensor yang dapat mendeteksi nilai instensitas dan frekuensi api dalam suatu proses pembakaran, dalam hal ini pembakaran dalam boiler pada pembangkit listrik tenaga uap. Flame detector dapat mendeteksi kedua hal tersebut dikarenakan oleh komponen-komponen pendukung dari flame detector tersebut. Cara kerja flame detector mampu bekerja dengan baik untuk menangkap nyala api untuk mencegah kebakaran. Kebanyakan cara kerja flame detector untuk mengidentifikasi / mendeteksi api dengan menggunakan metode optik seperti ultraviolet (UV), infrared (IR) spectroscopy dan pencitraan visual flame. Cara kerja flame detector dirancang untuk mendeteksi penyerapan cahaya pada panjang gelombang tertentu, yang memungkinkan alat ini untuk membedakan antara spectrum cahaya pada api dan sumber alarm palsu. Alarm palsu yang dimaksud yang disebabkan oleh adanya petir, radiasi dan panas matahari yang memungkinakan mengaktifkan flame detector. Namun dengan berkembangnya teknologi cara kerja flame detector lebih pandai dalam menangkap percikan api yang dapat menyebabkan kebakaran.
Cara kerja Flame detector abad ini dirancang dengan sistem delay selama 2-3 detik pada detektor ini sehingga mampu mendeteksi sumber kebakaran lebih dini dan memungkinkan tidak terjadi sumber alarm palsu. Semakin berkembangnya teknologi tentunya semakin banyak bahan bakar yang digunakan sebagai sumber tenaga untuk mendukung perkembangan teknologi abad ini. Oleh karena itu cara kerja flame detector juga semakin canggih dibuat untuk mendeteksi bahan bakar supaya mampu mendeteksi percikan api agar terhindar dari kebakaran. Industri yang paling umum dipasang dengan
flame detector antara lain: alcohol, diesel, ethylene, bensin, hydrogen, jet fuels, minyak tanah, LNG/LPG, kertas, solvents (pelarut), sulfur, dan tekstil. Cara Kerja Flame Detector harus diketahui oleh operator atau pengguna yang akan menggunakan flame detector. Dalam rangka untuk memilih peralatan deteksi tersebut, pengguna harus memahami prinsip-prinsip deteksi api dan meninjau jenis detector yang tersedia abad ini. Berbekal pengetahuan ini diharapkan pengguna lebih optimal dalam memilih flame detector yang sesuai untuk mencegah bahaya kebakaran. Hal ini jadi catatan penting untuk engineer yang akan merencanakan pemasangan flame detector di industri minyak, gas dan industri manufaktur lainnya yang memerlukan peralatan yang mampu melakukan pemantauan api terus menerus supaya mencegah bencana kebakaran. Oleh karena itu diperlukan seorang HSE (Health Safety Enviropment) yang sudah ahli untuk dapat mengoprasikan flame detector tersebut.
Bencana kebakaran timbul akibat beberapa sebab seperti gangguan pada jaringan listrik maupun alat elektronik. kebakaran juga dapat timbul dari cairan yang mudah terbakar seperti bensin, lemak minyak, kebocoran gas dan material maupun logam yang juga mudah terbakar. Bentuk industri yang memiliki tingkat kemungkinan yang tinggi terhadap risiko terjadinya kebakaran adalah industri minyak dan gas serta industri-industri manufaktur. Bentuk industri seperti di atas tersebut sangat tepat untuk mengaplikasikan bantuan peralatan perlindungan kebakaran, mulai dari sistem detektor hingga sistem
pemadam. Salah satu detektor yang memiliki fungsi terpenting adalah detektor api atau yang biasa disebut dengan Flame Detector yang mampu mengaktifkan alarm bila mendeteksi adanya percikan api yang berisiko menyebabkan bencana kebakaran. Namun, saat memilih Flame Detector, pengguna diharuskan telah benar-benar paham atas prinsip dari alat detektor tersebut dan meninjaunya demi mendapatkan Flame Detector yang sesuai dengan aktivitas di dalam lokasi dan tingkat kebutuhannya, serta bagaimana konsekuensi risiko yang mungkin terjadi.
Prinsip Flame Detektor tersebut menggunakan metode optik yang bekerja seperti UV (ultraviolet) dan IR (infrared), pencitraan visual api, serta spektroskopi yang berfungsi untuk mengidentifikasi percikan api atau flame. Reaksi intens bahan yang memicu kebakaran dapat ditandai dari UV, terlihatnya emisi karbondioksida, dan radiasi dari infrared. Flame Detector juga mampu membedakan antara False Alarm atau peringatan palsu dengan api kebakaran sungguhan melalui komponen sistem yang dirancang dengan fungsi mendeteksi adanya penyerapan cahaya yang terjadi pada gelombang tertentu. Tingkat potensi risiko kebakaran dari setiap jenis bahan semakin meluas mengingat semakin canggihnya teknologi penginderaan api atau teknologi Flame Sensing. Pada umumnya bahan bakar industri yang tergolong mudah terbakar antara lain: bensin, hidrogen, belerang, alkohol, LNG/LPG, minyak tanah, kertas, disel, kayu, jet bahan bakar, tekstil, ethylene, dan pelarut. Teknologi Flame Sensing yang umum digunakan adalah teknologi Visual Flame Imaging, UV atau ultraviolet, MSIR atau Multi-Spectrum Infrared, dan UV/IR yang merupakan gabungan dari ultraviolet/infrared. Keempat teknologi tersebut dirancang berdasarkan dengan deteksi radiasi line-of-sight yang berasal dari visible, UV, hingga IR spectral bands oleh percikan api. Untuk memilih di antara empat teknologi tersebut, penting sekali untuk memenuhi persyaratan mengenai aplikasi pemantauan api, termasuk di dalamnya adalah jangkauan deteksi, durasi waktu merespon, FOV (Field of View), dan kekebalan terhadap false alarm tertentu, serta self diagnostik.
B. JENIS/ TIPE FLAME SENSOR 1.
Infrared (IR) Detector Infrared flame detector bekerja pada pita spectral inframerah. Gas panas akan
mengeluarkan sebuah pola spektral spesifik di daerah infra merah, dimana ini akan disensor oleh sebuah sebuah Thermal Imaging Camera (TIC), sebuah tipe kamera thermographic. False Alarm bisa disebabkan oleh permukaan panas lain dan radiasi thermal di area yang terkaburkan oleh air dan energi matahari. Frekuensi dalam Single IR Flame Detector memiliki sensitivitas pada range 4.4 micrometer dengan respon waktu sebesar 3-5 detik.
2.
Ultra Violet (UV) Detector Flame Detector dengan teknologi ultraviolet mampu merespon radiasi dengan kisaran
spektral mulai dari 180 hingga 260 nanometer. Kemampuan respon teknologi UV tergolong sangat cepat, begitu pula tingkat sensitivitas yang sangat baik dalam range 0 sampai 50 kaki. Detector ini mendeteksi kebakaran dan ledakan diantara 3-4 milidetik melalui radiasi UV yang dipancarkan saat penyalaan. False alarm akan dipicu oleh sumber-sumber UV seperti petir, arc welding, radiasi, dan cahaya matahari. Dan dalam desain implementasi UV Flame Detector ini, sering digunakan time-delay selama 2-3 detik untukk mengurangi intensitas false alarm. Teknologi UV memiliki respon sensitif terhadap lampu halogen, busur pengelasan, serta petir dan muatan-muatan listrik lainnya. 3.
Dual IR (IR/IR) Detector Dual IR flame detector membandingkan sinyal mula di dua infrared range. Dalam hal
ini, satu sensor bekerja pada range 4.4 micrometer dan sensor lainnya pada sebuah frekuensi referensi. 4.
UV/IR Detector UV/IR flame detector membandingkan sinyal mula di dua infrared range, yaitu pada
konfigurasi “AND” dan rasionya secara berhubungan satu sama lain untuk memastikan fire signal dan meminimalisasi false alarm. Detektor dual band dibuat saat sensor infrared
diintegrasi oleh sensor optik ultraviolet. Detektor dual band tersebut bersifat sensitif baik terhadap radiasi yang berasal dari ultraviolet maupun radiasi infrared yang dihasilkan oleh pancaran percikan api. Kombinasi dari UV dan IR tersebut memiliki tingkatan kekebalan lebih tinggi selama UV detector beroperasi dalam respon yang berkecepatan moderat. Teknologi ini sangat tepat untuk digunakan di segala lokasi baik lokasi terbuka atau outdoor dan lokasi tertutup atau indoor. 5. UV/IR and Visible Detector Pada beberapa detector, sensor untuk radiasi terlihat akan ditambahkan pada desain dengan tujuan untuk mampu mengatasi false alarm secara lebih baik atau memperbaiki range deteksi.
6.
Triple IR (IR/IR/IR) Detector Triple IR flame detectors membadingkan tiga pita panjang gelombang spesifik dalam
daerah spektral Inframerah dan rasionya secara berhubungan satu sama lain untuk pendeteksian api yang dapat diandalkan keakuratannya dalam usahanya mengurangi false alarm. Dalam hal ini, satu sensor akan bekerja pada range 4.4 micrometer dan sensor lainnya pada frekuensi referensi. Triple IR detector juga beresiko pada pengaburan yang disebabkan oleh air dan pengurangan sensitivitas oleh sinar matahari. 7. CCTV (Video) Flame Detector Closed-circuit television (CCTV) atau web camera bisa digunakan untuk deteksi video (panjang gelombang antara 0.4 dan 0.7 µm). seperti manusia, kamera juga bisa dibutakan oleh asap dan kabut. Dalam perkembangan ketujuh jenis detector tersebut, tiga jenis flame detector yang terakhir (UV/IR and Visible Detector, Triple IR Detector, dan CCTV Flame Detector) paling banyak disebut-sebut oleh produsennya untuk menggantikan keempat detector yang lainnya, terutama UV/IR Detector yang sejatinya banyak dipakai namun juga banyak menimbulkan false alarm yang disebabkan oleh orang megelas, petir, ataupun panas yang ditimbulkan oleh logam (antara lain: pipa) karena sengatan matahari sehingga
menyebabkan terjadinya kepulan panas. Dan oleh karena itu pula lah saat ini ketiha jenis flame detector tersebut banyak dipakai di industri sebagai pendeteksi awal kebakaran.
8. Multi-Spectrum IR Flame Detektor (MSIR) Detektor Flame dengan teknologi ini memanfaatkan secara multipel daerah spektral IR dengan tujuan meningkatkan tingkat diferensiasi dari radiasi sumber api maupun sumber non api. Teknologi Flame Detector dengan Multi-Spectrum IR ini sangat tepat untuk area atau lokasi-lokasi yang memungkinkan terjadi risiko kebakaran yang menimbulkan asap. Teknologi ini memiliki sistem operasi berkecepatan sedang karena memiliki kemampuan menjangkau jarak sampai dengan 200 kaki dari sumber percikan api, indoor ataupun outdoor. Multi-Spectrum IR memiliki tingkat kekebalan yang cenderung tinggi terhadap radiasi yang berasal dari IR akibat adanya sengatan panas matahari, percikan akibat aktivitas pengelasan, adanya muatan listrik, hingga pemicu berupa material bersifat panas lainnya. 9. Visual Flame Imaging Detektor Teknologi Flame Detektor yang terakhir ini memanfaatkan beberapa perangkat CCD image sensors yang umumnya diaplikasikan pada kamera sirkuit tertutup, serta algoritma pendeteksi api untuk menentukan keberadaan percikan api kebakaran sungguhan. Dengan adanya algoritma, maka gambar video yang didapat dari komponen CCD mampu diproses dan akan dihasilkan analisis mengenai bentuk serta perkembangan api kebakaran sehingga akan dapat dibedakan sumber api dan sumber non api. Teknologi tidak sama bila dibandingkan dengan tiga teknologi yang sebelumnya. Visual Flame Imaging juga bekerja dengan tidak bergantung terhadap gejala yang mendeteksi terjadinya kebakaran seperti adanya cahaya api, emisi karbondioksida, dan sebagainya. Mengingat karakteristik tersebut, teknologi ini akan mungkin digunakan hanya pada lokasi-lokasi yang di dalamnya memang telah biasa terdapat aktivitas pembakaran demi menghindari terjadinya isu alarm palsu atau keliru. C. Flame Sensor dengan Arduino
Dari namanya kita sudah tahu fungsi dari flame sensor ini yaitu untuk mendeteksi api. Sensor ini bisa digunakan untuk mendeteksi api jarak dekat dan dapat digunakan untuk memantau barang tertentu sebagai salah satu perangkat keamanan dengan sistem on/off atau lainnya. Dalam hal ini penulis menggunakan modul sensor ini untuk mendeteksi api yang ada dalam perlombaan Kontes Robot Pemadam Api atau KRPAI yang diadakan DIKTI setiap tahunnya. Dengan sensor ini pencarian api menjadi lebih mudah, apalagi ditambah Uvitron dan TPA81. Namun jika ada kendala dengan dana, dengan sensor ini saja juga bisa. Harga sensor ini cukup terjangkau yaitu kurang dari 100rb. Dimensinya juga lumayan kecil yaitu 3.0 cm x 1.5 cm x 0.5 cm dan dengan berat 8 gram.
Sebelum kita menggunakan sensor ini, kita harus tahu spesifikasi dari sensor tersebut. a. Flame sensor ini sangat sensitive terhadap infrared yang panjang gelombang cahaya nya antara 760 – 1100 nm b. Analog output (A0): Real-time sinyal tegangan output pada tahan panas. Dengan pin Analog Output ini kita bisa memperkirakan letak api karena pembacaan sensor ini yaitu 60 derajat. Dengan memasang sensor secara parallel, kita bisa memperkirakan kira – kira posisi dimana, meskipun tidak terlalu akurat. c. Digital
output (D0): Jika
suhu mencapai
batas
tertentu, output akan tinggi
dan
rendahambang sinyal disesuaikan melalui potensiometer. Dengan pin Digital Output kita hanya bisa tahu ada api atau tidak namun kita tidak bisa mengetahui letak api. d. Tegangan input untuk pin Analog adalah 5V dan jika menggunakan pin digital bisa menggunakan tegangan 3.3V.
Untuk jarak pembacaan penulis hanya pernah mencoba sekitar kurang dari 80 cm, namun dari beberapa refrensi yang ada di internet bisa sampai 3 feet atau sekitar 91 cm. Diharapkan jangan pembacaan sensor jangan terlalu dekat dengan api karena membacaan range pembacaan sensor akan semakin kecil ditambah lagi merusak sensor, dan kalau gak sengaja nanti sensornya bisa kebakar pula. Untuk menguji Flame Sensor kita harus memastikan bahwa VCC terhubung ke sumber listrik 5V dan GND. Terserah mau pakai pin digital atau pin analog output.
Pertama sediakan Arduino, flame sensor, kabel jumper dan laptop
Kedua hubungkan flame sensor dengan Arduino lalu colokkan kabel usb Arduino ke laptop.
Ketiga upload program nya dan lihat datanya di serial monitor Arduino.
int api; void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); pinMode (A0, INPUT); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: api = analogRead(A0); Serial.println(api); delay(100); } Berdasarkan pengujian, jika ada api pembacaan analog akan kecil yaitu kurang dari 100 dan jika tidak ada api sekitar 900 sampai 1023. Jika menggunakan pin digital bisa menggunakan program dibawah ini. Dalam hal ini penulis menggunakan pin digital 4 dari arduino uno. int api; void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); pinMode (4, INPUT); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: api = digitalRead(4); Serial.println(api); delay(100); } Jika menggunakan pin digital bisa menggunakan program dibawah ini. Dalam hal ini penulis menggunakan pin digital 4 dari arduino uno. Berdasarkan hasil pengujian, jika ada api serial monitor akan menampilkan logika 0 dan jika tidak ada api maka serial monitor akan menampilkan logika 1.
Klik file - examples - basic - analog read serial atau digital read serial untuk lebih singkatnya. Berikut merupakan contoh aplikasi dalam robot untuk penggunaan flame sensor dengan arduino:
DAFTAR PUSTAKA Eiceman GA. 2000. Instrumentation of Gas Chromatography. Chichester : John Wiley & Sons Ltd Http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_detection Http://www.dfrobot.com/image/data/dfr0076/flamesensor.pdf Mcnair, H.M. 2009. Basic Gas Chromatography. Second Edition. New Jersey: A john Wiley & Sons. Inc. Publicaation. Scott RPW. 2003. Gas Chromatography Detectors. Library for Science
