41

BAB IOVERVIEW PERUSAHAAN

1.1 Sejarah Berdirinya PT. Edwar TechnologyCentre for Tomography Research Laboratory (Ctech Labs) Edwar Technology didirikan sejak tahun 2004 di rumah toko Modern Land, Tangerang, Banten. Pada tahun 2006, berbagai temuan di PT. Edwar Technology oleh Dr. Warsito Purwo Taruno mendapatkan paten dari biro paten Amerika. ECVT-nya telah dibeli berbagai lembaga, termasuk NASA, yang memakainya untuk memindai keretakan dinding pesawat. Untuk Indonesia, temuannya berupa Sona CT Scanner, yakni pemindai ultrasonik untuk memeriksa dinding tabung gas bertekanan tinggi yang digunakan pengelola bus Transjakarta.ECVT merupakan teknologi berdasarkan volume kapasitansi yang telah menggantikan sistem klasik dua dimensi slicing yang telah melekat pada teknik pencitraan tomografi. Teknik ini untuk pertama kalinya memungkinkan untuk pencitraan 3D sebuah objek bergerak (real-time) atau 4D (real-time volume imaging). Teknik ini memungkinkan untuk pencitraan real-time 3D untuk kepentingan medis dari tubuh manusia dan aplikasi pencitraan untuk kepentingan lainnya juga seperti pencitraan 3D dari reaksi yang terdapat dalam reaktor.

Gambar I.1 Ruang Riset Ctech Lab PT. Edwar Technology1.2 Visi dan Misi Perusahaan1.2.1 Visi PT. Edwar TechnologyMenjadi lembaga yang terkemuka didunia untuk penelitian dan pengembangan sistem tomography.

1.2.2 Misi PT. Edwar Technology1. Menjadikan Reseach and Development kelas dunia untuk sistem tomgraphy dan instrumentasi.2. Mengembangkan dan melisensi inovasi dari sistem tomography dan hasilnya untuk alat-alat dunia industri dan aplikasi lainnya.3. Bekerja sama dengan universitas dan lembaga-lembaga penelitian bertaraf internasional sebaik mitra dalam negeri dalam upaya meningkatkan pengembangan ilmu dan pengetahuan dan teknologi di Indonesia4. Meningkatkan penelitian dan pengembangan ilmiah pada universitas-universitas dan lembaga penelitian nasional.5. Membudidayakan ilmuan dan engineers memiliki high-skilled sehingga mampu melakukan Research and Development kelas dunia.

1.3 Produk dan Layanan PT. Edwar Technology adalah perusahaan yang bergerak dibidang riset dan pengembangan teknik tomography. Banyak produk dan layanan yang dihasilkan oleh PT. Edwar Technology yaitu sebagai berikut:1.3.1 Full Tomography and Imaging System1. ECVT System and ECVT Image Reconstruction Software2. Ultrasound Tomography3. Multi-approach Ultrasound NDT4. Electrical Impedance Tomography

1.3.2 Data Acquisition System (DAS) Data Acquisition System (DAS) adalah alat yang digunakan untuk mengakuisisi data kapasitansi pada ECVT. Sistem akuisisi data terdiri dari rangkaian sensor dan papan akuisisi data yang terdiri dari multiplexer, ADC converter, Programmable microcontroller gain amplifier, yang dihubungkan dengan menggunakan serial link.Saat akuisisi data kecepatan clock mencapai 2 MHz menggunakan sistem 100 volume gambar per detik selama 8 elektroda, 80 volume gambar per detik untuk 12 saluran, 60 volume gambar per detik untuk 16 elektroda dan 40 volume per detik untuk 24 saluran.

Gambar I.2 Sensor ECVT dan Data Acquisition System (DAS)

1.3.3 Image Reconstruction Software (IRS)IRS adalah rekonstruksi gambar dan post-processing software untuk Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT). Software ini dapat dijalankan menggunakan MATLAB version 6.0 atau yang lebih tinggi. Pilihan yang fleksibel dari penggunaan rekonstruksi algoritma yang berbeda disediakan untuk ini, termasuk: linear back projection (LBP), iterative linear back projection (ILBP), Regulasi thikonov, dan Optimasi multi-criterion. Post-processing software terdiri atas: berbagai grafik permitivitas 3D ditampilkan, berbagai gambar 2D ditampilkan, kecepatan pemetaan 3D, konstruksi film layar (benda bergerak) 3D. Software ini kompetible dengan windows 98, 2000, XP OS.

1.3.4 3D custom sensor designed and Electrical field computation service3D sensor design: ECVT memungkinkan penggunaan sebuah bentuk acak sensor geometris untuk berbagai aplikasi dan tidak terbatas pada pipa bengkok (L), T-junction, kerucut, kubus dan bahkan pesawat flat atau kombinasinya. Electrical field computation: FEM digunakan untuk melakukan penghitungan medan listrik 3D menggunakan perangkat lunak berlisesnsi operasi 3D dan COMSOL.

1.3.5 Sensitivity MAP Generation, Design Analysis, Image Reconstruction Performance TestingSensitivity Map Generation: Sensitivitas peta (matriks) memiliki peran penting dalam proses rekonstruksi listrik gambar tomografi, sehingga generasi yang sangat penting dalam pengembangan sistem tomografi. Sensitivity distribution analysis, design check up and reconstruction performance testing : analisa komprehensive untuk sensitivitas lead distribusi untuk pengembangan yang kuat sensor desain untuk gekometri khusus. Analisis termasuk memeriksa ketersediaan dead zone dan tes gambar rekonstruksi kerja.

1.4 Struktur Bidang Penelitian di PT. Edwar TechnologyPT. Edwar Technology merupakan lembaga riset swasta. Salah satu bidang utama dalam instansi ini adalah Research and Developement (R & D). Di bidang riset, PT. Edwar Technology membagi riset menjadi lima bidang yang membawahi sub-bidang lainnya. Struktur bidang ini dapat dilihat pada bagan berikut ini:

Gambar I.3 Struktur Bidang Penelitian di PT. Edwar Technology

BAB IIPROSES PRODUKSI

2.1 TomografiTomografi berasal dari kata thomos yang berarti potongan dan graphia yang berarti gambaran. Tomografi merupakan suatu metoda untuk melihat penampang potongan suatu objek tanpa memotong objek tersebut. Teknologi tomografi melibatkan perolehan pengukuran sinyal dari sensor yang mengelilingi suatu objek. Teknologi tomografi dapat dengan mudah dan cepat mencitrakan suatu objek dengan baik. Tomografi ini pun sudah banyak berkembang di dunia kesehatan dan industri.Prinsip tomografi ini adalah suatu proses pengumpulan data mengenai interaksi beberapa bentuk radiasi dan kemudian mengubah data ini ke dalam suatu gambar dengan menggunakan metode matematika yang spesifik dan alat perhitungan. Sistem tomografi terdiri dari: sistem sensor, sistem akuisisi data dan sistem komputer untuk kontrol, rekonstruksi citra dan tampilan [http://www.edwartechnology.com].Sistem tomografi pertama kali dikembangkan secara konvensional berbasis sinar-X sebagai sumber radiasi. Penemuan ini pertama kali dikembangkan oleh Wilhelm Rontgen pada 1895. Sinar-X tidak hanya bisa menembus tubuh manusia, tetapi menembus ke jaringan yang berbeda dalam derajat yang berbeda, membuat transparan tubuh memungkinkan visualisasi tulang dan struktur lainnya dalam tubuh. Pada tahun 1917 ide dasar pencitraan tomografi muncul ketika J. Radon memberikan formulasi matematika untuk merekonstruksi fungsi 2D dari sejumlah integral garis fungsi tersebut dalam bidang dua dimensi yang dikenal dengan transformasi Radon. Penerapan dari konsep rekonstruksi ini kemudian digunakan beberapa ahli seperti, Bracewell (1956), Cormack (1963), hingga akhirnya pada tahun 1972 Hounsfield sukses mengimplementasikan idenya membentuk apa yang dikenal saat ini dengan tomografi komputasi modern. Beberapa tipe tomografi berdasarkan fenomena fisika dapat dilihat pada Tabel II.1.Tabel II.1 Tipe Tomografi Berdasarkan Fenomena FisikaFenomena FisikaTipe Tomografi

Sinar-xCT

Sinar gammaSPECT

Anihilasi elektron positronPET

Resonansi magnetik intiMRI

UltrasonikUSG

Impedansi listrikEIT

Kapasitansi listrikECT

Beberapa tahun terakhir tomografi berkembang sangat pesat untuk berbagai aplikasi industri. Dalam dunia industri, tomografi digunakan untuk memonitoring proses secara kontinyu dan simultan yang berlangsung saat itu (real time), seperti pada pneumetic conveying, saluran pipa minyak, fluidized beds, bubble columns dan berbagai proses kimia dan biokimia lainya. Kebutuhan untuk melihat bagian dalam obyek secara non-invasive(tidak membutuhkan kontak langsung antara obyek dengan sensor) maupun non-intrusive (tidak mengganggu proses) merupakan kebutuhan yang sangat mendasar didalam proses ini. Didalam proses industri obyek yang dilihat senantiasa bergerak dari kecepatan gerak yang lambat dibawah 1 centimeter per detik hingga kondisi turbulensi yang mencapai kecepatan ribuan meter per detik [Warsito, 2005]. Dengan demikian kemampuan scanningjuga harus bisa mengatasi dinamika yang ada, hal ini dapat ditunjang dengan tomografi berbasis medan listrik. ECVT atau Electrical Capcitance Volume Tomography adalah tomografi yang telah dikembangkan oleh Warsito dan kawan-kawan dengan prinsip dasar yaitu pengukuran terhadap nilai kapasitansi listrik.

Gambar II.1 Sistem Tomografi [Warsito, 2007]

2.2 Teori Medan ListrikStatisPengukuran beberapa besaran dan parameter fisika yang digunakan dalam sistem ECVT berdasarkan kepada teori mengenai medan listrik statis. Mengenai konsep ini, Hukum Gauss dapat menjelaskan dengan baik maksud dan hubungan dari adanya medan listrik E di setiap titik dalam ruang di sekitar sebaran muatan q.Hukum Gauss menyatakan bahwa jumlah garis gaya yang keluar dari suatu permukaan tertutup (fluks) sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dan muatan di luar tidak akan mempengaruhi fluks di dalam permukaan tersebut. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut: .................................................................(2.1)

Di mana0merupakanpermitivitas diruangvakum (hampa). Jika beberapa muatan titik q1,q2 , , qN dilingkupi oleh permukaan tertutup S, maka untuk beberapa muatan titik yang terdapat di dalam permukaan tertutup tesebut, persamaan (2.1) menjadi

..............................................................................(2.2)

Untuk kondisi sebuah volume yang terdapat sejumlah muatan, maka muatan dalam volume tersebut dipandang sebagai dv dimana adalah rapat muatan untuk suatu volume tertentu. Oleh karena itu, integral permukaan totalnya sama dengan jumlah semua unsur tambahan dalam bentuk itu yang disebabkan muatan yang terletak di dalam permukaan tersebut. Jadi jika S merupakan permukaan tertutup yang membatasi volume V, maka...............................................................................(2.3)

Hukum gauss dapat juga dinyatakan dalam bentuk lain yaitu dengan menggunakan teorema divergensi yang juga cukup memudahkan dalam analisa kasus medan listrik, yang menyatakan bahwa............................................................................(2.4)

Jika teorema ini diterapkan pada integral permukaan dari komponen garis normal medan listrik E, maka akan diperoleh.......................................................................(2.5)

Persamaan ini dimasukkan ke dalam persaman (3.3), sehingga.............................................................................(2.6)

Persamaan (3.6) berlaku untuk semua jenis volume, yaitu untuk sebarang pilihan volume V. Hasil ini dapat dituliskan dalam bentuk lain yaitu...........................................................................................(2.7)

Untuk material dielektrik, saat diberikan medan listrik maka akan terjadi polarisasi pada material tersebut. Dalam mempelajari polarisasi, digunakan suatu besaran yang disebut momen dipole (P). Momen dipole suatu material akan mempengaruhi besar rapat muatan terikat pada material (b), di mana b= -. .

Gambar II.2. Hukum Gauss pada Medium DielektrikDi dalam permukaan Gauss pada medium dielektrik yang ditunujkkan oleh garis putus-putus pada gambar II.3, terdapat sejumlah muatan bebas Q dalam volume yang dibatasi oleh S. Berdasarkan hukum Gauss,..........................................................................(2.8)

Dengan Q merupakan total muatan bebas dan Qp adalah muatan polarisasi......................................................................................(2.9)

Dari Persamaan (2.9), maka persamaan (2.8) dapat ditulis..........................................................................(2.10)

Persamaan (3.10) menunjukkan bahwa flux dari vektor 0E+P yang melewati suatu permukaan tertutup sama dengan total muatan pada permukaan. Untuk memudahkan persamaan diatas maka didefinisikan suatu besaran yang disebut sebagai Electric Displacement (D)...........................................................................................(2.11)

Pada kasus material yang sederhana, nilai polarisasi sebanding dengan medan listrik sesuai pendekatan..........................................................................................(2.12)

r merupakan permitivitas relatifstatis (medium) dari material. Permitivitas atau biasa disebut sebagai konstanta dielektrik merupakan tetapan yang menunjukkan rapat fluks elektrostatik dalam suatu bahan ketika diberi potensial listrik. Nilai permitivitas bergantung pada jenis material yang berhubungan dengan susceptibility listriknya, yaitu kemampuan suatu bahan untuk mengalami polarisasi sebagai respon dari medan listrik.

Tabel II.2 Nilai Konstanta Dielektrik Beberapa Bahan NoBahanKonstanta dielektrik

1Vakum1 (sesuai definisi)

2Udara1,00054

3Polietilena2,25

4Kertas3,5

5PTFE (Teflon(TM))2,1

6Polistirena2,4-2,7

7Kaca pyrex4,7

8Karet7

9Silikon11,68

10Metanol 30

11Air (200C)80,10

12Barium Titanat1200

13Formamid (68oF)84,0

14Hydrocyanic Acid158

15Hydrogen Cyanide95,4

16Iodine118

17Sulphuric Acid84

18Cupric Sulfate10,3

19Trimethyl Sulfanilic Acid89

2.3 Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT)ECVT merupakan metode untuk menentukan distribusi permitivitas secara volumetrik dari obyek yang berada di dalam interior yang dilingkupi oleh sensor dengan menggunakan prinsip pengukuran kapasitansi. Efek soft field medan listrik pada ECVT dianggap sebagai salah satu kekurangan tomografi listrik, tapi efek ini merupakan keuntungan untuk mendapatkan gambar volumetrik [Warsito,2007]. Prinsip ECVT sedikit berbeda dengan teknik tomografi secara umum, dimana ECVT tidak berbasis pada proyeksi garis seperti CT scan ataupun MRI melainkan pengukuran kapasitansi. Ruang tiga dimensi yang merupakan domain terukur didalam ECVT tidak harus berbentuk silinder sebagaimana sistem tomografi pada umumnya, namun dapat berupa ruangan sembarang yang bisa dijangkau oleh medan listrik statis yang dihasilkan oleh sensor.Ada tiga komponen utama pada sistem ECVT yaitu: sensor kapasitansi, sensing electronic atau data acqusition system dan personal computer. Sensor kapasitansi berfungsi sebagai alat scan, untuk mengukur distribusi permitivitas yang berada dalam multi sensor. Jumlah elektroda yang banyak akan memberikan resolusi citra yang lebih tinggi tetapi sensitivitas dari pengukurannya akan menjadi lebih rendah, sensitivitas dapat ditingkatkan dengan elektroda yang lebih panjang tetapi resolusi pada sumbu aksial akan menurun [Malcom Byars,2001]. Sensing electronic berfungsi sebagai akuisisi data yang kemudian dikirimkan ke komputer, dan personal computer berfungsi untuk rekonstruksi citra, interpretasi data dan tampilan. Kapasitansi sensor terdiri dari beberapa elektroda yang melingkupi obyek. Pada ECVT, N elektroda memberikan N(N-1)/2 pengukuran secara independen, dimana N adalah banyaknya elektroda. Kapasitansi yang diukur merupakan fungsi dari konstanta dilektrik (permitivitas) yang mengisi ruang antara pasangan elektroda.

2.3.1 Problem MajuCara kerja ECVT meliputi dua tahapan, yaitu problem maju dan problem balik. Problem maju yaitu proses pengumpulan data kapasitansi dari elektroda-elektroda yang melingkupi obyek, kemudian rekonstruksi citra diperoleh dari data kapasitansi yang terukur (problem invers). Kapasitansi diukur berdasarkan persamaan poisson yang ditulis dalam bidang tiga dimensi sebagai:

..............................................................(2.13)

Dimana adalah distribusi permitivitas, adalah distribusi potensial medan listrik, dan adalah rapat muatan. Pengukuran kapasitansi Ci dari pasangan ke-i antara elektroda sumber dan detektor didapat dengan integral berikut:

..........................................................(2.14)

Dimana adalah beda tegangan antara pasang elektroda dan adalah luas permuukaan yang menutup elekktroda detektor. Persamaan (2.2) tersebut berkaitan dengan distribusi konstanta dielektrik (permitivitas), , dalam mengukur kapasitansi [Warsito, 2007].Pada persamaan (2.2), nilai distribusii potensial bergantung pada distribusi permitivitas. Bila nilai permitivitasnya berubah maka nilai distribusi potensial pun akan berubah. Pada kasus persamaan (2.2) ini tidak bisa disederhanakan/non linier. Oleh karenanya dilakukan pendekatan dimana nilai permitivitasnya konstan, sehingga:

...........................................................................(2.15)

Dengan pendekatan sensitivitas:.................................................................(2.16)

Dimana adalah vektor distribusi medan listrik dimana elektoda sumber pada pasangan ke-i yang diaktifkan oleh tegangan , dan merupakan vektor distribusi medan listrik ketika pasangan elektroda detektor diaktivasi dengan tegangan . merupakan volume voxel ke-j. Menggunakan persamaan seneitivitas ini, persamaan (2.2) dapat ditulis dalam bentuk matriks:..............................................................................................................(2.17)Dimana C merupakan data vektor kapasitansi dimensi-M, G merupakan vektor citra dimensi-N, N adalah jumlah voxel (volume element) pada domain, dan M adalah jumlah kombinasi pasangan elektroda. Spesifiknya, N sebanding dengan , dimana merupakan jumlah voxel pada satu sisi layar citra (layer), dan merupakan jumlah layer (arah aksial). Sensitivitas matriks S memiliki dimensi [Warsito, 2007].

2.3.2 Problem Balik Umumnya problem invers atau balik pada sistem ECVT merupakan proses rekonstruksi distribusi permitivitas dalam interior dari data kapasitansi yang diukur oleh elektroda yang berada diluar [Soleimani dan Lionheart, 2005]. Pada kebanyakan kasus, khususnya tomografi listrik, biasanya permasalahnya yaitu ill-posed dimana pengukuran yang lebih sedikit dibandingkan dengan nilai voxelyang tidak diketahui, sehingga jumlah data proyeksi yang terkumpul terbatas [Warsito et al, 2003]. Hal ini membuat tidak terdapatnya matrik invers S, maka distribusi permitivitas G dapat diperoleh dengan pendekatan ST, dari persamaan (2.5) sehingga didapat:...........................................................................................................(2.18)Matriks invers hanya mungkin didapat dari matriks kuadrat (square matrix) dimana nilai M=N. Hal ini menunjukan ketidakmungkinan untuk mendapat nilai individu dari voxel berjumlah besar dari sejumlah pengukuran kapasitansi yang sedikit (misalnya 276 untuk 24 elektroda).

2.3.3 Metode Rekonstruksi CitraSecara umum ada beberapa macam pendekatan matematis yang digunakan untuk rekonstruksi citra. Metode pendekatannya yaitu: (1) Proyeksi balik (Back Projection) pendekatan pertama yang digunakan pada bidang medis, (2) iterative reconstruction merupakan cara untuk mengkoreksi distribusi medium yang berubah-ubah dalam usaha mendapatkan pengukuran proyeksi yang tepat, (3) analitical reconstruction merupakan metode yang berdasarkan pada solusi matematika untuk persamaan citra. Ada 2 metode yang digunakan pada sistem ECVT yang disebut diawal (back projection dan iterative reconstruction). Adapun pendekatan analitis tidak digunakan karena tidak ada hubungan eksplisit antara pengukuran batas (boundary measurements) dan distribusi medium.Algoritma Linear Back Projection (LBP) adalah algotitma pertama yang digunakan untuk rekonstruksi citra dari data kapasitansi. Algoritma ini didasarkan pada asumsi sensitivitas tatap dalam daerah sensitivitas. Sensitivitas diasumsikan sama untuk daerah sensitivitas yang berbeda. LBP menggunakan hubungan antara kapasitansi yang diukur dengan citra untuk mencari vektor citra. Karena matrik invers S tidak terdapat, maka pendekatan matrix digunakan. Algoritma LBP mengunakan pendekatan ST. Elemen citra diperoleh dari , atau:

................................................(2.19)Dimana adalah kapasitansi yang diukur antara elektroda i dan j, adalah kapasitansi antara elektroda i dan j permitivitas rendah , adalah kapasitansi antara elektroda i dan j permitivitas tinggi dengan Ne adalah jumlah elektroda.Metode iterasi Landweeber digunakan untuk menyelesaikan masalah klasik (ill-posed) yang berdasarkan pada steepest gradient descent methode, metode ini banyak digunakan dalam teori optimasi. Tujuan dari metode ini yaitu untuk meminimalisasi , misalnya dalam mencari G. Dalam metode Landweber estimasi awal dari G0 yang diberikan oleh ST dikalikan dengan ukuran yang sesuai dari konstanta dan mempunyai persamaan: ......................................................................(2.20)dimana konstanta dikeahui sebagai faktor penalti dan digunakan untuk mengontrol kekonvergenan [Yang et al,1999] faktor.. dapat ditentukan pula berdasarkan konvergensi yang cocok yaitu:....................................................................................................(2.21)dimana adalah nilai eigen maksimal dari STS. Nilai memiliki pengaruh terhadap kualitas citra dan kekonvergenan [Yang et al, 1999].

2.3.4Pengukuran Kapasitansi dalam ECVTKapasitansi didefinisikan sebagai nilai yang mengindikasikan banyaknya muatan listrik yang tersimpan di antara duabuah plat konduktor dengan adanya suatu beda potensial. Beda potensial dari dua buah konduktor sebanding dengan muatan yang tersimpan diantaranya, seperti dituliskan dalam persamaan berikut:....................................................................................................(2.22)

Dalam ECVT, nilai kapasitansi diukur berdasarkan basis persamaan poisson yang ditulis dalam ruang tiga dimensi sebagai :

.....................................................(2.23)

dimana (x,y,z) adalah distribusi permitivitas, (x,y,z) adalah distribusi potensial dalam medan listrik, dan (x,y,z) adalah densitas muatan. Pada persamaan2.22, diketahui C sebagai kapasitansi dan Q merupakan muatan total yang terdapat pada sistem tersebut, dimana nilai Q dapat diturunkan dengan persamaan Gauss, sehingga dihasilkan:..........................................................(2.24)

Maka persamaan (3.15) dapat ditulis:.........................................(2.25)

Dari Persamaan (2.25) kita dapat melihat hubungan antara kapasitansi dan permitivitas. Pada persamaan tersebut, nilai distribusi potensial (x,y,z) bergantung pada distribusi permitivitas (x,y,z). Bila nilai permitivitas berubah maka nilai potensial akan berubah. Dengan adanya nilai distribusi pemitivitas yang berbeda di antara pasangan elektroda, akan mempengaruhi nilai kapasitansi yang terukur pada elektroda tersebut. Dalam kasus ini, persamaan 2.25 tidak bisa disederhanakan/ non-linear. Oleh karena itu, dilakukan pendekatan dimana nilai permitivitas adalah konstan, sehingga:....................................................................(2.26)

dengan pendekatan nilai sensitivitas.....................................................(2.27)

maka nilai persamaan 2.26 menjadi:.................................................................................................(2.28)

dalam bentuk matrik, persamaan 2.28 menjadi ...............................................................................................(2.29)

dimana C adalah matrik distribusi kapasitansi, S adalah sensitivitas matrik dan G adalah matrik distribusi permitivitas. Dengan pendekatan ini, masalah forward non-linier telah disederhanakan terhadap pendekatan linier. Permasalahan dari rekonstruksi citra ECVT adalah menyelesaikan distribusi permitivitas (x,y,z) dari vektor kapasistansi C yang diukur. Dalam bentuk diskrit adalah mencari G yang tidak diketahui dari C menggunakan persamaan diatas, dimana S adalah matrik konstan untuk sederhananya dan S akan berubah sesuai dengan distribusi permitivitas.

BAB IIISIMULASI SENSOR DAN MONITORING LAJU REAKSI LEACHING DENGAN ECVT SENSOR SILINDER 24 CHANNEL HEXAGONAL

3.1 Leaching TembagaTembaga biasanya berada di kerak bumi dalam bentuk tembaga-besi-sulfida dan mineral tembaga sulfida, misalnya chalcopyrite (CuFeS2), bornite (Cu5FeS4) dan chalcocite (Cu2S). Konsentrasi mineral ini rendah. Tipe bijih tembaga mengandung antara 0.5% Cu (tambang terbuka) hingga 1 atau 2% Cu (tambang bawah tanah). Tembaga murni diproduksi dengan konsentrasi, smelting dan refining. Terkadang terjadi oksidasi mineral tembaga (karbonat, oksida, hidroksi-silikat, sulfat), tetapi tidak banyak. Logam tembaga yang merupakan dari bijih seperti ini biasanya diproduksi dengan metode hidrometalurgi. Hidrometalurgi biasanya digunakan untuk memproduksi logam tembaga dari chalcocite, Cu2S [Devenport, 2002].Sekitar 80% tembaga dari bijihnya diperoleh dari flotasi, smelting dan refining. Sisanya 20% menggunakan hidrometalurgi [Devenport, 2002]. Dalam hidrometalurgi, terdapat dua proses penting yaitu leaching dan recovery. Leaching (pelindian) merupakan reaksi pelarutan selektif, yang artinya melarutkan logam berharga saja dengan leachingagentyang bersifat larutan aqueous. Sedangkan recovery merupakan suatu proses mengambil logam berharga dari larutan kaya (pregnant solution) hasil dari leaching.Metode hidrometalurgi memiliki keuntungan pada daya penyesuaian yang spesifik dan selektifitas tinggi. Metode ini tepat digunakan untuk proses oksidasi kandungan tembaga lemah, campuran bijih tembaga oksida-sulfida, dump stock, sisa pertambangan, atau produk pertengahan. Kerugiannya antara lain leaching yang berlangsung relatif lama untuk larutan dengan volume yang besar per unit massa tembaga, dan merupakan ekstraksi kompleks logam berharga yang residu leaching-nya tetap. Masalah lainnya adalah menghilangkan sulfur dari bijih sulfida. Meskipun oksida sulfur tidak terbentuk, larutan mengandung ion sulfur yang harus dipresipitasi dengan gipsum untuk menghindari pencemaran air [ Habashi, 1997]Ekstraksi hidrometalurgi meliputi:a. Leaching Cu dengan asam sulfat dari pecahan bijih untuk menghasilkan larutan aqueous tembaga tidak murni.b. Transfer Cu dari larutan tidak murni menjadi murni, elektrolit Cu tinggi menggunakan solvent extraction.c. Elektroplating katoda tembaga murni dari elektrolit ini.Bijih yang biasanya dilakukan proses jalur ini adalah:a. Mineral tembaga oksida, misalnya karbonat, hydro-silikat, sulfat, hidro-klorida.b. Chalcocite, Cu2S.Oksidasi mineral sangat cepat terlarut oleh asam sulfat dengan reaksi seperti:

Mineral sulfida, mengalami oksidasi dengan skema berikut:

[Devenport, 2002]. Dengan demikian, reaksi leaching secara sederhana dapat dilihat sebagai reaksi sebagau berikut:

3.2Simulasi Sensor 3D Silinder 24 Elektroda Hexagonal3.2.1 Diagram Alir Simulasi SensorProses simulasi sensor melalui tahapan-tahapan berikut ini:Mendesain geometri sensorMengatur Parameter FisikaMelakukan MeshingSolveMatriks SensitivitasRekonstruksi CitraHasil Citra SimulasiSensor

Gambar III.1 Diagram Alir Simulasi Sensor

3.2.2 Prosedur Percobaan1. Membuat desain sensor dengan bentuk port hexagonalpada software AUTOCAD 2010 dan meng-export ke dalam bentuk file .sat.

Gambar III.2 desain sensor silinder 24 elektroda dengan port hexagonal

2. Import file .sat ke COMSOL Multiphysics 3.5.3. Mengatur parameter physics berupa subdomain settings. Pengaturan yang dilakukan adalah pada nilai (permitivitas relatif) dengan nilai 1 untuk medium udara, 80 untuk medium air, dan untuk objek bola dapat bervariasi diberi nilai berapa saja (20, 40, 60, dan 60) (lihat Gambar III.2).

Gambar III.3 Pengaturan Physics yaitu Subdomain Settings

4. Mengatur parameter Boundary Settings dengan bagian luar zero charge/symetry dan elektroda diatur sebagai port dimana port 1 dalam keadaan aktif yaitu dengan menandai use port as input pada boundary settings dan port sisanya dalam keadaan tidak aktif. Masing-masing port diberi angka sesuai dengan portnya.

Gambar III.4 Pengaturan Boundary Settings

5. Mengatur Free mesh parameter. Pada bagian Predefined mesh sizesdiatur normal dan klik Remesh kemudian OK.

Gambar III.5Free Mesh Parameters

Gambar III.6 Hasil Meshing

6. Mengatur Solve parameter. Pada Linear system solver pilih GMRES dan pada Preconditioner pilih Geometric multigrid, kemudian klik OK.

Gambar III.7 Pengaturan Solve Parameters

7. Melakukan Solve Problem, didapatkan gambar sebagai berikut:

Gambar III.8 Hasil Solve Problem8. Menyimpan file dalam bentuk .m dan mengoneksikan pada program MATLAB R2009a.9. Mengatur script pada MATLAB dengan 24 iterasi (24 elektroda). Untuk mendapatkan sensitivity matrix, maka dilakukan untuk file udara saja.10. Menjalankan script file untuk udara, air, dan obyek bola untuk mendapatkan data kapasitansi.11. Melakukan rekonstruksi offline dengan me-load data sensitivity matrix dan data kapasitansi.12. Didapatkan citra simulasi dari berbagai obyek bola.

3.2.3 Hasil SimulasiDari simulasi yang telah dilakukan, didapatkan sensitivity matrix, yaitu matriks yang menjelaskan tentang sensitivitas dari pasangan sensor/elektroda. Jumlah elektroda yang digunakan yaitu 24 elektroda, berarti data sensitivitas yang didapatkan berjumlah 276 data. Grafik sensitivity matrix dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Gambar III.9Sensitivity Matrix untuk sensor silinder 24 elektrodahexagonal

Gambar III.8 menjelaskan grafik hubungan antara sensitivitas normalisasi terhadap sumbu z, yang berarti semakin ke kanan, maka semakin atas geometri benda. Setiap garis pada gambar mewakili satu pengukuran pasangan elektroda. Simulasi menggunakan 24 elektroda yang berarti terdapat 276 pengukuran (M = (N(N-1))/2 dimana M adalah banyaknya jumlah pengukuran dan N adalah jumlah elektroda Semakin tinggi perbedaan intensitas yang dihasilkan dari matriks sensitivitas pada tiap tingkatan, maka matriks sensitivitas semakin baik. Tiap garis mewakili medan listrik pasangan elektroda yang terdistribusi pada daerah pengukuran. Dari sensitivitas ini terlihat bahwa daerah pada atas dan bawah (level 1-5 dan 27-33) merupakan daerah dead zone (ditandai dengan garis putus-putus) karena memiliki distribusi medan listrik yang sedikit, pada daerah tengah (level 6- 26) memiliki variasi medan listrik yang baik. Daerah dead zone akan menyebabkan tidak ada perbedaan medan listrik pada saat rekonstruksi sehingga kekonvergenan sulit dicapai [Warsito, 2007].

Gambar III.10 Simulasi obyek bola berada di tengah D = 0,02 cm, iterasi = 250, pinalty factor = 1

Gambar III.11 Simulasi obyek bola berada di atas D = 0,02 cm, iterasi = 250, pinalty factor = 1

Gambar III.12 Simulasi obyek bola berada di bawah D = 0,02 cm, iterasi = 250, pinalty factor = 1

Gambar III.13 Simulasi obyek dua bola berada di atas dan bawah D = 0,015 cm, iterasi = 250, pinalty factor = 1

Gambar III.14 Simulasi obyek empat bola dengan densitas berbeda bolaD = 0,015 cm, iterasi = 250, pinalty factor = 1Simulasi ini dibuat lima model, yaitu bola di tengah, di atas, di bawah, atas dan bawah, serta empat bola yang berbeda permitivitas relatifnya. Pada gambar III.9 gambar bola yang terbentuk mendekati sempurna karena matriks sensitivitas yang berada di tengah ini memiliki perbedaan medan listrik yang cukup baik sehingga dapat membaca nilai kapasitansi dengan baik, berbeda dengan gambar pada III.10, III.11, dan III.12, gambar bola yang terbentuk tidaklah baik, karena daerah atas dan bawah merupakan daerah dead zone yang pembacaan nilai kapasitansinya tidak baik sehingga benda yang terbentuk tidak seperti bola, melainkan seperti tabung. Pada gambar III.13 disimulasikan empat bola memiliki permitivitas relatif yang berbeda. Terlihat pada gambar permitivitas yang semakin tinggi akan menyebabkan penampang berwarna merah semakin banyak. Semakin biru penampang maka nilai kapasitansinya semakin kecil atau nol, sedangkan semakin berwarna merah maka nilai kapasitansinya semakin besar (mendekati atau sama dengan satu). Perbedaan permitivitas pada simulasi ini cukup besar sehingga sensor masih dapat menampilkan perbedaan gambar dengan permitivitas relatif yang berbeda. i = 50i = 250i = 500

Gambar III.15 Grafik Hubungan Iterasi terhadap % Kesalahan

Dalam simulasi sensor, iterasi yang dilakukan akan mempengaruhi hasil dari pencitraan. Dengan iterasi yang semakin besar, maka persen kesalahan yang terjadi akan semakin kecil, sehingga memungkinkan untuk mengukur volume keseluruhan benda, namun iterasi yang besar menyebabkan bentuk geometri hasil citra tidak seperti aslinya, berbeda dengan iterasi kecil. Berikut adalah hasil citra simulasi dengan berbagai iterasi:(d)(c)(b)(a)

(h)(g)(f)(e)

(i)(j)(k)

Gambar III.16Citra hasil simulasi bola berbagai iterasi (a) iterasi = 1, (b) iterasi = 50, (c) iterasi = 100, (d) iterasi = 150, (e) iterasi = 200, (f) iterasi = 250, (g) iterasi = 300, (h) iterasi = 350, (i) iterasi = 400, (j) iterasi = 450, dan (k) iterasi = 500Dari gambar III.15, terlihat jelas perbedaan bentuk geometri yang sesungguhnya dengan benda pada iterasi 500. Nilai % Kesalahan yang begitu besar dapat pula terjadi dikarenakan nilai kapasitansi yang diambil merupakan nilai kapasitansi yang lebih dari nol, hal ini menyebabkan noise akan semakin besar.

3.3Leaching Tembaga Dengan Sensor Silinder24ElektrodaHexagonal3.3.1 Diagram Alir Pencitraan Leaching Tembaga

Melakukan Leaching Tembaga Pencitraan Rekonstruksi CitraRekonstruksi OfflineFile RekonstruksiHasil CitraPembahasanKesimpulanLiteratur

Mengalibrasi dan menset jumlah data Sistem ECVT

Gambar III.17Pencitraan Leaching Tembaga Sistem ECVT3.3.2 Prosedur Percobaan1. Menyiapkan perlengkapan ECVT yaitu sensor silinder 24 elektrodahexagonal, PC, DAS.2. Menyipakan alat dan bahan untuk prosesleaching tembaga yaitu pipa yang dibungkus dengan tembaga dan larutan asam sulfat (H2SO4) 2 M dan 1 M.3. Menjalankan program MATLAB R2009a dan membuka scriptyang dibutuhkan.4. Melakukan kalibrasi antara udara (permitivitas rendah) dan H2SO4 (permitivitas tinggi). Kemudian melakukan kalibrasi sampai hasilnya baik.5. Melakukan proses leaching tembaga sistem ECVT selama 2 jam.6. Menyimpan file hasil rekonstruksi dalam bentuk .dat.7. Melakukan rekonstruksi offline dengan menggunakan algoritma landweber equations.8. Didapatkan citra leaching tembaga.

Gambar III.18Proses LeachingTembaga

3.3.3 Analisa Hasil Percobaan Proses Leaching Tembaga Sistem ECVTSebelum dilakukan leaching tembaga, dilakukan proses kalibrasi terlebih dahulu. Kalibrasi dilakukan dengan udara karena memiliki permitifitas relatif 1 dan larutan asam sulfat dengan permitifitas relatif 84 yang akan digunakan sebagai leachingagentpada percobaan ini.Variabel dalam percobaan ini adalah konsentrasi asam sulfat, yaitu 1M dan 2M. Variasi ini dilakukan untuk melihat perbedaan citra dari leachingagent konsentrasi 1M dengan 2M.Hasil rekonstruksi citra keadaan udara dan H2SO4 dapat dilihat pada gambar. Warna biru menunjukan keadaan terendah yang diwakili oleh udara dan warna merah menunjukan keadaan tertinggi yang diwakili H2SO4. Hasil rekonstruksi citra yang homogen menunjukan sensor yang digunakan baik.

Gambar III.19 Grafik Kalibrasi Udara dan Asam Sulfat

Pada proses leaching tembaga dengan asam sulfat sebagai leachingagentinidiperoleh grafik perubahan tegangan terhadap waktu. Perubahan tegangan menandakan adanya perubahan nilai kapasitansi. Perubahan nilai kapasitansi ini terjadi karena permitivitas relatif benda berubah, hal ini dikarenakan terjadinya reaksi kimia antara leachingagent dengan tembaga.

Gambar III.20 Grafik Tegangan Rata-Rata terhadap Waktu (Menit) Selama 2 Jam dengan Leaching Agent H2SO4 1M

Gambar III.21 Grafik Tegangan Rata-Rata terhadap Waktu (Menit) Selama 2 Jam dengan Leaching Agent H2SO4 2M

Gambar III.22Grafik Tegangan Rata-Rata Terhadap Waktu (Menit) Selama 15 Menit Dengan Leaching Agent H2SO4 1M

Gambar III.23Grafik Tegangan Rata-Rata Terhadap Waktu (Menit) Selama 15 Menit dengan Leaching Agent H2SO4 2M

Gambar III.18 dan III.19 menunjukkan perubahan tegangan rata-rata tiap waktu selama 2 jam. Perbedaan terjadi cukup signifikan antara konsentrasi 1M dengan 2M, namun banyak faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya perbedaan ini, salah satunya adalah kondisi lingkungan saat pengambilan data. Pada 15 menit pertama, terjadi peningkatan (1M) dan penurunan (2M) tegangan yang cukup tinggi.Untuk memperjelas hubungan antara waktu dengan tegangan rata-rata, dibuat pendekatan dengan regresi logaritmik untuk 15 menit pertama. Setelah diplotkan regresi logaritmik didapatkan persamaan regresi untuk 1M yaituy = 1,419ln(x) + 2303 dengan R = 0,249. Apabila dilihat dari nilai korelasinya, antara waktu dengan tegangan berkorelasi tidak signifikan atau ada variabel lain yang mempengaruhi tegangan. Persamaan regresi logaritmik untuk asam sulfat 2M adalah y = -6,58ln(x) + 2302 dengan R = 0,749, nilai korelasi ini cukup berhubungan meskipun ada variabel lain yang mempengaruhi. Setelah 15 menit pertama, fluktuasi tegangan tidak begitu besar menandakan reaksi mulai stabil terjadi.Terjadinya reaksi kimia pun dapat dilihat dengan rekonstruksi citra. Berikut ini adalah hasil rekonstruksi citra pada slice 11-20 untuk asam sulfat 1M:20 menit5 menit3 menit4 detik

Slice ke-11

Slice ke-12

Slice ke-13

Slice ke-14

Slice ke-15

Slice ke-16

Slice ke-17

Slice ke-18

Slice ke-19

Slice ke-20

Gambar III.24 Rekonstruksi Citra 2D Selama 4 Detik, 3 Menit, 5 Menit, Dan 20 Menit dari Slice 11-20 Menggunakan H2SO4 2M

Rekonstruksi citra 2D pada slice 11-20 menggunakan H2SO4 2M adalah sebagai berikut:5 menit20 menit3 menit4 detik

Slice ke-11

Slice ke-12

Slice ke-13

Slice ke-14

Slice ke-15

Slice ke-16

Slice ke-17

Slice ke-18

Slice ke-19

Slice ke-20

Gambar III.25 Rekonstruksi Citra 2D Selama 4 Detik, 3 Menit, 5 Menit, Dan 20 Menit dari Slice 11-20

Pada gambar III.22 perubahan tidak banyak terjadi dibandingkan dengan pada gambar III.23. Hal ini dikarenakan banyaknya tembaga yang bereaksi dengan asam sulfat berbeda. Asam sulfat 2M memiliki ion H+ lebih banyak dibandingkan dengan 1M sehingga banyaknya Cu yang bereaksi dengan asam sulfat semakin banyak dan nilai kapasitansi akan menurun.(a)(b)

Gambar III.26 Gambar Sampel Sebelum (A) Dan Setelah (B) Leaching

BAB IVKESIMPULAN DAN SARAN

4.1 KesimpulanDari kerja praktik yang telah dilakukan selama satu bulan, didapatkan kesimpulan sebagai berikut:1. Matriks sensitivitas untuk sensor ECVT 24 channel hexagonal memiliki bentuk yang simetris namun terjadi dead zone pada bagian atas dan bawahnya.2. Leaching tembaga dapat dicitrakan dengan Electrical Capacittance Volume Tomography (ECVT).3. Konsentrasi leaching agent mempengaruhi kinetika leaching tembaga, dimana penurunan tegangan sinyal konsentrasi 2M lebih tinggi dibandingkan 1M.

4.2 SaranDapat disarankan pula untuk praktikum selanjutnya agar:1. Menggunakan sensor 32 elektroda untuk mendapatkan citra yang semakin baik, karena semakin banyak sensor jumlah data yang diperoleh akan semakin banyak.2. Memvariasikan bentuk sampelnya, contohnya saja butiran atau batang.3. Menggunakan bijih langsung untuk proses leaching, dapat digunakan bijih covelite ataupun chalcosite.