Prinsip Kerja Conductivity Meter

Conductivity meter adalah alat untuk mengukur nilai konduktivitas listrik (specific/electric conductivity) suatu larutan atau cairan. Nilai konduktivitas listrik sebuah zat cair menjadi referensi atas jumlah ion serta konsentrasi padatan (Total Dissolved Solid / TDS) yang terlarut di dalamnya. Pengukuran jumlah ion di dalam suatu cairan menjadi penting untuk beberapa kasus. Salah satu contoh adalah untuk memonitor kualitas air boiler (baca artikel berikut). Hal ini terkait pengaruh konsentrasi ion-ion mineral terhadap terjadinya korosi pada pipa boiler (galvanic corrosion).

20140207-101752 PM.jpg

Portable Conductivity Meter
(Sumber)

Konsentrasi ion di dalam larutan berbanding lurus dengan daya hantar listriknya. Semakin banyak ion mineral yang terlarut, maka akan semakin besar kemampuan larutan tersebut untuk menghantarkan listrik. Sifat kimia inilah yang digunakan sebagai prinsip kerja conductivity meter.

Sebuah sistem conductivity meter tersusun atas dua elektrode, yang dirangkaikan dengan sumber tegangan serta sebuah ampere meter. Elektrode-elektrode tersebut diatur sehingga memiliki jarak tertentu antara keduanya (biasanya 1 cm). Pada saat pengukuran, kedua elektrode ini dicelupkan ke dalam sampel larutan dan diberi tegangan dengan besar tertentu. Nilai arus listrik yang dibaca oleh ampere meter, digunakan lebih lanjut untuk menghitung nilai konduktivitas listrik larutan.

20140209-050851 PM.jpg

Prinsip Kerja Conductivity Meter
(Sumber)

Anda tentu tidak asing dengan rumus dasar rangkaian listrik berikut:
    V = R x I

.....(1)

Dimana V adalah tegangan listrik rangkaian (volt), I untuk arus listrik rangkaian (ampere), dan R untuk tahanan listrik rangkaian (Ω).

Tahanan listrik (R) berbanding lurus dengan jarak antara dua elektrode (l) conductivity meter, dan berbanding terbalik dengan luas area elektrode (A; pada gambar di atas S).
    R = ( l/A ) x ρ

.....(2)

Dimana ρ adalah tahanan listrik spesifik (Ω.m) larutan.

Jika persamaan (1) dan (2) digabungkan, akan didapatkan persamaan berikut:
    V/I = ( l/A ) x ρ
Dan karena nilai ( l/A ) adalah konstan untuk setiap conductivity meter, maka dapat diganti dengan sebuah konstanta (C):
    V/I = C x ρ

.....(3)

Conductivity meter sebenarnya tidak mengukur nilai konduktifitas listrik, tetapi mengukur konduktivitas listrik spesifik (specific conductivity). Konduktivitas listrik spesifik adalah nilai konduktivitas listrik untuk tiap satu satuan panjang. Konduktivitas listrik spesifik ini disimbolkan dengan κ (Kappa), adalah kebalikan dari tahanan listrik spesifik (ρ):
    κ = ¹ / ρ
Dimana konduktivitas listrik spesifik menggunakan satuan S/m (Siemens per meter). Dan jika persamaan di atas dimasukkan ke dalam persamaan (3), maka akan kita dapatkan persamaan umum perhitungan nilai konduktivitas listrik spesifik:
    κ = C x I / V

.....(3)

Prinsip kerja conductivity meter menggunakan persamaan (3) di atas. Dimana besar tegangan listrik (V) ditentukan oleh sistem, besar arus listrik (I) adalah parameter yang diukur, serta konstanta (C) didapatkan sebelumnya dari proses kalibrasi conductivity meter dengan menggunakan larutan yang diketahui nilai konduktivitas spesifiknya.

20140210-073945 PM.jpg

Diagram Conductivity Meter
(Sumber)


Referensi:

Referensi dan eBook Gratis:

Prinsip Kerja DO Meter

DO meter tersusun atas beberapa komponen utama yang disketsakan pada gambar di bawah ini. Terdapat dua elektrode utama yang masing-masing berfungsi sebagai katode dan anode. Batang katode terbuat dari logam mulia seperti emas atau platina. Sedangkan batang anode terbuat dari bahan perak. Kedua elektrode ini terselimuti cairan elektrolit KCl yang memiliki pH netral. Permukaan elektrode perak akan membentuk senyawa AgCl yang sifatnya stabil, dan membuat elektrode ini memiliki beda potensial yang tetap. Oleh karena itu anode pada DO meter ini berfungsi sebagai elektrode referensi.
      Ag + Cl- → AgCl + e-

20140206-085309 AM.jpg

Prinsip Kerja DO meter
(Sumber)

Kedua elektrode DO meter yang diselimuti larutan KCl tersebut, dibungkus oleh sebuah wadah kedap yang pada bagian ujung adalah berupa komponen penting lainnya yaitu membran teflon. Membran ini hanya bisa dilewati oleh gas terlarut yang ada di dalam cairan terukur. Ia tidak akan bisa dilewati oleh material lain termasuk ion, senyawa lain, dan tentu saja padatan pengotor.

Prinsip kerja DO meter adalah berdasarkan fenomena polarografi yang terjadi di antara dua elektrode katode dan anode. Tegangan listrik negatif diberikan kepada elektrode katode. Adanya tegangan negatif ini akan mengakibatkan reaksi kimia terjadi secara cepat antara air dengan oksigen terlarut pada permukaan katode. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi pada elektrode katode:
      O2 + 2H2O + 2e- → H2O2 + OH-
      H2O2 + 2e- → 2OH-

Tegangan listrik akan terus naik sampai mencapai nilai jenuhnya, yang setara dengan sudah bereaksinya seluruh oksigen terlarut pada permukaan elektrode katode. Tegangan listrik jenuh ini ditandai dengan hampir naiknya pembacaan arus listrik, setelah beberapa saat diam di satu nilai meskipun nilai tegangan dinaikkan. Setelah melewati nilai tegangan jenuh ini, arus listrik terus naik jika tegangan terus ditambah. Naiknya nilai arus ini terjadi karena reaksi kimia lain telah terjadi, terutama adalah reaksi pecahnya molekul air H2O menjadi ion H+ dan OH-.

20140206-100026 AM.jpg

Kurva Kalibrasi Pembacaan DO Meter

Pembacaan nilai oksigen terlarut didapatkan dari nilai arus listrik pada saat semua oksigen terdifusi pada permukaan elektrode katode. Dengan kata lain, arus listrik yang terbaca pada saat sistem mencapai tegangan jenuh, setara dengan besaran oksigen terlarut. Dengan menggunakan metode kalibrasi linier seperti kurva di atas, didapatkan nilai oksigen terlarut yang dicari.

Arus listrik yang kita bahas di atas tidak secara langsung merepresentasikan besarnya kandungan oksigen terlarut yang kita ukur. Sebab, oksigen yang bereaksi pada permukaan elektrode katode adalah oksigen yang telah menembus membran teflon pada ujung sensor DO meter. Masuknya oksigen terlarut menembus membran ini adalah karena adanya tekanan parsial yang dimiliki oksigen terlarut, didukung dengan tegangan listrik negatif pada elektrode katode. Sehingga DO meter sebenarnya adalah mengukur tekanan oksigen yang mengalir ke dalam membran. Semakin banyak kandungan oksigen di dalam larutan, akan semakin besar tegangan parsial oksigen, sehingga akan semakin banyak jumlah oksigen yang akan menembus membran teflon sensor DO meter. Semakin banyaknya oksigen yang masuk ke dalam membran, maka pembacaan arus listrik pada rangkaian sistem DO meter menjadi semakin tinggi.

Referensi:

Ebook Gratis DO Meter:

Prinsip Kerja pH Meter

Prinsip kerja utama pH meter adalah terletak pada sensor probe berupa elektrode kaca (glass electrode) dengan jalan mengukur jumlah ion H3O+ di dalam larutan. Ujung elektrode kaca adalah lapisan kaca setebal 0,1 mm yang berbentuk bulat (bulb). Bulb ini dipasangkan dengan silinder kaca non-konduktor atau plastik memanjang, yang selanjutnya diisi dengan larutan HCl (0,1 mol/dm3). Di dalam larutan HCl, terendam sebuah kawat elektrode panjang berbahan perak yang pada permukaannya terbentuk senyawa setimbang AgCl. Konstannya jumlah larutan HCl pada sistem ini membuat elektrode Ag/AgCl memiliki nilai potensial stabil.

20140122-073104 AM.jpg

Skema Sistem Elektrode Kaca
(Sumber)

Inti sensor pH terdapat pada permukaan bulb kaca yang memiliki kemampuan untuk bertukar ion positif (H+) dengan larutan terukur. Kaca tersusun atas molekul silikon dioksida dengan sejumlah ikatan logam alkali. Pada saat bulb kaca ini terekspos air, ikatan SiO akan terprotonasi membentuk membran tipis HSiO+ sesuai dengan reaksi berikut:
SiO + H3O+ → HSiO+ + H2O

20140122-120206 PM.jpg

20140122-123419 PM.jpg

Proses Pertukaran Ion H+
(Sumber)

Seperti pada ilustrasi di atas bahwa pada permukaan bulb terbentuk semacam lapisan "gel" sebagai tempat pertukaran ion H+. Jika larutan bersifat asam, maka ion H+ akan terikat ke permukaan bulb. Hal ini menimbulkan muatan positif terakumulasi pada lapisan "gel". Sedangkan jika larutan bersifat basa, maka ion H+ dari dinding bulb terlepas untuk bereaksi dengan larutan tadi. Hal ini menghasilkan muatan negatif pada dinding bulb.

Pertukaran ion hidronium (H+) yang terjadi antara permukaan bulb kaca dengan larutan sekitarnya inilah yang menjadi kunci pengukuran jumlah ion H3O+ di dalam larutan. Kesetimbangan pertukaran ion yang terjadi di antara dua fase dinding kaca bulb dengan larutan, menghasilkan beda potensial di antara keduanya.

Edinding kaca/larutan ≈ |RT/2,303F   loga(H3O+)|

...... Eq. 1

dimana R adalah konstanta molar gas (8,314 J/mol K), T untuk temperatur (Kelvin), F adalah konstanta Faraday 96.485,3 C/mol, 2,303 adalah angka konversi antara logaritma alami dengan umum, dan a(H3O+) adalah aktivitas dari hidronium (bernilai rendah jika konsentrasinya rendah). Pada temperatur 25°C nilai dari RT/2,303F mendekati angka 59,16 mV. Angka 59,16 mV ini menjadi bilangan penting karena pada suhu konstan larutan 25°C, setiap perubahan 1 satuan pH, terjadi perubahan beda potensial elektrode kaca sebesar 59,16 mV.

20140122-013353 PM.jpg

Kurva Perubahan pH Dengan Beda Potensial
(Sumber)

Perhitungan nilai aktivitas hidronium (a(H3O+)) pada persamaan di atas memiliki rentang yang sangat lebar yakni antara 10 hingga 10-15 mol/dm3. Sehingga untuk meringkas persamaan, maka lahirlah istilah pH dengan persamaan sebagai berikut:
pH = -log a(H3O+)

...... Eq. 2

Tanda negatif adalah untuk membuat semua nilai pH dari berbagai larutan, kecuali larutan yang bersifat sangat ekstrim asam, menjadi bernilai positif.

Seperti yang telah kita bahas di atas, bulb kaca berisi larutan HCl yang merendam sebuah elektrode perak. HCl ini memiliki pH konstan karena ia berada pada sistem yang terisolasi. Karena pH konstan inilah maka ia menciptakan beda potensial yang konstan pada temperatur yang konstan pula. Sebut saja potensial tersebut bernilai E', maka persamaan (Eq. 1) di atas bersama dengan persamaan (Eq. 2) didapatkan persamaan beda potensial total dari elektrode kaca:
Eelektrode kaca = E' - RT/2,303F   pH

...... Eq. 3

20140122-090252 PM.jpg

Pada sebuah sistem pH meter secara keseluruhan, selain terdapat elektrode kaca juga terdapat elektrode referensi. Kedua elektrode tersebut sama-sama terendam ke dalam media ukur yang sama. Elektrode referensi digunakan untuk menciptakan rangkaian listrik pH meter. Untuk menghasilkan pembacaan pH yang valid, elektrode referensi harus memiliki nilai potensial stabil dan tidak terpengaruh oleh jenis fluida yang diukur.

Seperti halnya elektrode kaca, di dalam elektrode referensi juga digunakan larutan HCl (elektrolit) yang merendam elektrode kecil Ag/AgCl. Pada ujung elektrode referensi terdapat liquid junction berupa bahan keramik sebagai tempat pertukaran ion antara elektrolit dengan larutan terukur, pertukaran ion ini dibutuhkan untuk menciptakan aliran listrik sehingga pengukuran potensiometer (pH meter) dapat dilakukan.

20140123-104334 AM.jpg

Rangkaian Elektrode Kaca dan Elektrode Referensi Pada pH Meter
(Sumber)

Elektrode referensi memiliki nilai potensial yang konstan, sehingga persamaan rangkaian potensiometer secara keseluruhan dapat ditulis sebagai berikut:
E = Eelektrode referensi + Eelektrode kaca

...... Eq. 4

Dengan memasukkan persamaan (Eq. 3) ke dalam persamaan di atas, didapatkan persamaan dasar perhitungan pH.
E = Eelektrode referensi + E' - RT/2,303F   pH

...... Eq. 5

20140123-111506 AM.jpg

Pengaruh Perubahan Temperatur Terhadap Pengukuran pH
(Sumber)

Pengukuran pH sangat dipengaruhi oleh temperatur larutan. Oleh karena itu diperlukan sensor temperatur (thermoprobe) pada rangkaian pH meter. Pembacaan temperatur tersebut menjadi input perhitungan pH yang dilakukan oleh microprocessor.

20140123-115612 AM.jpg

Diagram Sederhana pH Meter
(Sumber)

Referensi:

eBook Gratis pH Meter