Apa Saja Berbagai Jenis Sensor Oksigen Terlarut dalam Air?

Tahukah Anda bahwa sensor oksigen tradisional, seperti sensor DO elektrokimia, memiliki masa pakai terbatas sekitar 3 tahun, sedangkan sensor DO optik modern dapat bertahan selama beberapa tahun? Perbedaan besar dalam masa pakai ini disebabkan oleh mekanisme kerja dan persyaratan perawatannya. Memahami perbedaan antara jenis sensor ini sangat penting untuk memilih detektor yang tepat.

Pemantauan kadar oksigen terlarut (DO) sangat penting dalam menjaga kualitas air. Dalam aplikasi seperti kehidupan akuatik, pengolahan air limbah, akuakultur, dan proses industri, pengukuran DO yang akurat sangatlah penting. Mengetahui DO memungkinkan pengendalian aerasi yang tepat, kepatuhan terhadap peraturan, dan pemantauan ekosistem.

Pada dasarnya ada dua jenis sensor DO: Elektrokimia dan Optik. Panduan ini akan membahas setiap jenis, merinci prinsip kerjanya, keunggulan, keterbatasan, dan aplikasi tipikalnya. Panduan ini juga mencakup panduan singkat tentang cara memilih sensor yang tepat untuk kebutuhan spesifik Anda. Lanjutkan membaca untuk mempelajari semua tentang pemantauan oksigen terlarut (DO)!

1 Dasar-dasar Pengukuran Oksigen Terlarut

Sebelum kita membahas lebih dalam tentang rekayasa dan kimia sensor DO, mari kita pahami terlebih dahulu apa sebenarnya DO itu!

♦ Apa Itu Oksigen Terlarut?

Oksigen terdapat dalam air, itulah sebabnya kehidupan akuatik dapat bertahan hidup di bawah air. Melarutkan gas, seperti oksigen, ke dalam air membutuhkan proses yang disebut difusi. Agar gas seperti oksigen dapat larut, sesuai dengan Hukum Henry, tekanan parsial gas tersebut harus lebih besar di udara daripada di dalam air itu sendiri.

Karena atmosfer mengandung sekitar 21% oksigen, selalu ada tekanan parsial oksigen yang memberikan gaya pada permukaan air, mendorong molekul-molekul tersebut masuk ke dalam air. Kita dapat mengukur jumlah DO dalam air dalam miligram per liter (mg/L) atau bagian per juta (ppm).

♦ Mengapa Pengukuran Oksigen Terlarut Penting?

Lingkungan perairan yang sehat biasanya memiliki konsentrasi DO (oksigen terlarut) sebesar 5-6 mg/L atau lebih. Dalam kasus seperti proses industri, di mana pipa logam digunakan, kadar oksigen terlarut yang tinggi dapat menyebabkan korosi yang dipercepat. Ini merupakan masalah signifikan di industri seperti pembangkit listrik, manufaktur, dan minyak & gas, di mana pipa dan boiler logam digunakan untuk mengangkut air.

Untuk mendapatkan hasil yang akurat, kita perlu memahami tantangan dalam pengukuran DO (oksigen terlarut) dalam air. Nilai yang mungkin terbaca dengan benar terkadang tampak tidak akurat. Sementara dalam beberapa kasus, nilainya mungkin tidak sepenuhnya benar. Kondisi berikut dapat menantang keandalan hasil:

• Penyimpangan: Setelah kalibrasi, sensor dapat mulai menyimpang dari nilai sebenarnya. Pada sensor elektrokimia, hal ini dapat disebabkan oleh degradasi elektrolit dan membran. Untuk sensor optik, hal ini dapat disebabkan oleh degradasi lambat dari zat pewarna fluoresen.
• Pengotoran: Kemampuan sensor untuk mendeteksi dapat terhalang oleh fenomena biologis, kimia, atau fisik. Pengotoran menciptakan penghalang antara air dan sensor, mencegah oksigen mencapai elemen penginderaan.
• Suhu: Suhu air dapat memengaruhi kelarutan oksigen dalam air dan efisiensi sensor. Itulah sebabnya sensor modern memiliki fitur kompensasi suhu.
• Kadar garam: Kandungan garam yang lebih tinggi menyebabkan penurunan nilai DO (oksigen terlarut). Oleh karena itu, sensor juga harus memiliki kompensasi untuk kandungan garam dalam air.
• Tekanan Atmosfer: Konsentrasi oksigen dalam air berubah seiring ketinggian karena tekanan atmosfer meningkat. Seperti yang telah kami sebutkan, tekanan partikel dapat berfluktuasi, sehingga menyebabkan perubahan kadar oksigen.
• Gangguan Kimia: Beberapa bahan kimia dapat mengganggu sensor DO elektrokimia atau optik. Oleh karena itu, pertimbangkan keberadaan bahan kimia yang dapat mengganggu pembacaan.

2 Gambaran Umum Teknologi Sensor Oksigen Terlarut

Sensor dapat memberikan nilai secara langsung, biasanya dengan waktu respons 30 hingga 60 detik. Ini adalah waktu yang dibutuhkan sensor untuk membaca 90% dari pembacaan stabil akhirnya setelah perubahan mendadak pada konsentrasi DO. Waktu tersebut sama untuk dua jenis utama teknologi pendeteksi oksigen:

• Sensor elektrokimia (amperometrik, polarografik, galvanik).
• Sensor optik (fluoresensi/luminesensi).

Pilihan tergantung pada aplikasi dan tingkat akurasi yang dibutuhkan. Berikut tabel singkat yang berisi detail kedua jenis tersebut:

Pada bagian selanjutnya, mari kita telusuri lebih dalam tentang sensor-sensor ini, mekanisme kerjanya, dan apa yang membuat satu sensor lebih baik daripada sensor lainnya dalam aplikasi tertentu.

3. Sensor DO Elektrokimia

3 1. Prinsip Operasi

Proses elektrokimia adalah reaksi kimia yang menghasilkan listrik sebagai produk sampingan. Jumlah arus listrik berbanding lurus dengan gas yang dihasilkan dalam reaksi kimia tersebut. Ini adalah prinsip dasar yang mendasari kerja semua sensor elektrokimia.

Untuk memahami sensor DO elektrokimia, bayangkan dua elektroda, katoda dan anoda, yang dicelupkan ke dalam larutan elektrolit. Katoda biasanya terbuat dari platinum atau emas, sedangkan anoda biasanya terbuat dari perak atau timbal. Larutan elektrolit umumnya adalah kalium klorida (KCl) atau kalium hidroksida (KOH), karena tidak mengganggu reaksi kimia dengan oksigen. Membran permeabel memisahkan cairan sampel yang mengandung oksigen dari larutan elektrolit. Membran ini memungkinkan oksigen untuk berdifusi melalui membran. Laju difusi ini berbanding lurus dengan jumlah oksigen dalam air.

Reduksi di Katoda Menyebabkan Penambahan Elektron

O2_​+2H ₂ O + ^4e⁻ → ^4OH⁻

Oksidasi di Anoda Menyebabkan Pelepasan Elektron

4Ag + 4Cl⁻ ^→ 4AgCl + ^4e⁻

Aliran arus diukur menggunakan ammeter, yang secara langsung mewakili kadar oksigen dalam air.

3.2 . Sensor DO Polarografik

Sesuai namanya, metode ini membutuhkan tegangan eksternal untuk memulai proses polarisasi. Tegangan dalam kisaran 0,8V menyebabkan aksi reduksi oksigen di katoda. Metode ini memberikan hasil yang akurat tetapi biasanya direkomendasikan untuk digunakan dengan ukuran sampel yang besar. Karena menggunakan daya eksternal, tidak ada konsumsi anoda ketika tidak ada daya yang disuplai.

• Waktu Pemanasan: Dibutuhkan 10-15 menit untuk mulai memberikan nilai stabil karena polarisasi.
• Perawatan: Membutuhkan kalibrasi berkala

3.3 . Sensor DO Galvanik

Sensor DO elektrokimia tipe galvanik bersifat mandiri. Ini berarti bahwa dua elektroda yang berbeda, katoda dan anoda, menghasilkan perbedaan tegangan yang cukup untuk mendorong reaksi.

• Waktu Pemanasan: Tidak memerlukan daya eksternal dan pemanasan. Memberikan pembacaan secara instan.
• Perawatan: Anoda terus menerus mengalami keausan, sehingga masa pakainya lebih pendek dan perlu dijaga dalam lingkungan "nol DO" (oksigen terlarut).

4 Sensor DO Optik

4 1. Prinsip Sensor DO Optik/Fluorescent

Sensor DO yang paling efisien dan banyak digunakan didasarkan pada mekanisme kerja Optik/Fluorescent. Sensor ini memanfaatkan fenomena pemadaman fluoresensi untuk mengukur DO.

• Sensor ini terdiri dari zat pewarna luminesen dan badan sensor yang berisi LED dan fotodetektor. LED memancarkan cahaya biru ke zat pewarna, menyebabkan zat pewarna tersebut mencapai keadaan tereksitasi. Ketika elektron yang tereksitasi mencapai keadaan stabilnya, mereka memancarkan cahaya.
• Dalam kasus ketika oksigen terserap ke dalam zat pewarna berpendar, cahaya biru akan mengeksitasi elektron, tetapi oksigen menyerap sebagian energi dari elektron, menyebabkan penurunan emisi cahaya ketika elektron kembali ke keadaan stabilnya.

Pengukuran perubahan cahaya melalui keluaran fotodetektor memberikan nilai langsung dari oksigen yang ada dalam medium yang bersentuhan dengan zat pewarna luminesensi.

Proses instalasinya juga sangat praktis dan mudah, seperti yang ditunjukkan di sini:

4.2 . Keunggulan Sensor DO Optik Dibandingkan Tipe Elektrokimia

Sensor DO optik menawarkan banyak keunggulan dibandingkan sensor tipe elektrokimia. Sensor ini stabil, akurat dalam air yang stagnan/memiliki DO rendah, perawatannya mudah, hanya memerlukan kalibrasi minimal, dan memiliki umur pakai yang panjang. Berikut adalah alasan utama mengapa sensor DO optik lebih disukai daripada sensor tipe elektrokimia:

• Tidak mengonsumsi oksigen → berfungsi di air yang stagnant.
• Tidak perlu diaduk → akurat pada sampel diam.
• Kalibrasi minimal & pergeseran rendah → mempertahankan kalibrasi selama berbulan-bulan.
• Perawatan rendah → hanya perlu mengganti tutup setiap 2 tahun sekali.
• Tidak perlu waktu pemanasan → langsung beroperasi.
• Stabilitas jangka panjang yang lebih baik → tahan terhadap H₂S dan biofouling.
• Akurasi lebih tinggi pada DO rendah → dapat diandalkan di lingkungan hipoksia.
• Masa pakai lebih lama → bodi sensor bertahan 5–7 tahun.

4.4 . Aplikasi Sensor DO Optik

Sensor DO optik jauh lebih andal, menawarkan berbagai macam aplikasi. Sensor ini mudah dirawat dan mudah dipasang, menjadikannya pilihan ideal untuk:

• Akuakultur
• Air limbah
• Laboratorium Penelitian
• Pemantauan Lingkungan
• Pengolahan Air Minum

 

5 Memilih Sensor DO yang Tepat

Memilih sensor DO yang tepat memerlukan evaluasi cermat terhadap aplikasi yang Anda miliki. Pertimbangkan panduan singkat langkah demi langkah ini untuk menemukan sensor DO yang ideal:

Langkah 1: Pertimbangkan Aplikasi

Untuk aplikasi yang membutuhkan pemantauan terus-menerus dan jangka panjang, sensor optik seringkali lebih disukai karena stabilitas dan kebutuhan perawatannya yang rendah. Untuk pemeriksaan cepat dan praktis, sensor elektrokimia galvanik sangat ideal karena memberikan pembacaan instan tanpa waktu pemanasan hingga 15 menit.

Langkah 2: Seberapa Akurat Hasil Pembacaan yang Anda Butuhkan

Meskipun kedua jenis sensor ini dapat sangat akurat, sensor optik memberikan stabilitas jangka panjang yang lebih unggul dan kurang rentan terhadap pergeseran sinyal. Untuk aplikasi yang membutuhkan respons cepat terhadap perubahan DO yang cepat, beberapa sensor elektrokimia menawarkan waktu reaksi yang sedikit lebih cepat, bereaksi hanya dalam 10-30 detik. Sensor optik biasanya merespons dalam 30-60 detik.  

Langkah 3: Bisakah Anda Menoleransi Perawatan Rutin?

Jika aplikasi Anda dapat menangani perawatan yang sering, biaya awal yang lebih rendah dari sensor elektrokimia mungkin merupakan pilihan yang baik, karena sensor ini hanya memerlukan pembersihan dan penggantian elektrolit secara teratur. Untuk pendekatan yang minim perawatan dan tanpa campur tangan manusia, sensor optik adalah pilihan yang lebih baik, karena hanya perlu penggantian tutup sensor setiap 1-2 tahun.

Langkah 4: Pertimbangkan Anggaran Anda

Sensor elektrokimia memiliki harga beli awal yang lebih rendah. Namun, jika Anda memperhitungkan biaya jangka panjang untuk penggantian suku cadang dan waktu perawatan, sensor optik dapat memiliki total biaya kepemilikan yang lebih rendah selama masa pakainya, yang bisa berlangsung beberapa tahun.

Langkah 5: Evaluasi Lingkungan

Untuk lingkungan dengan gangguan kimia seperti klorin atau hidrogen sulfida, sensor optik umumnya lebih kuat, karena bahan kimia ini tidak memengaruhi prinsip pengukurannya. Pastikan sensor memiliki kompensasi suhu dan tekanan untuk pembacaan yang akurat di berbagai lingkungan, karena perubahan tekanan atmosfer dapat mengubah pembacaan hingga 0,5 mg/L.

Kesimpulan

Kemampuan untuk mengukur DO secara akurat, konsisten, dan cepat tanpa gangguan kimia bergantung pada jenis sensor DO yang dipilih. Sebagai seorang insinyur atau ilmuwan, Anda perlu mempertimbangkan pro dan kontra dari setiap jenis untuk membuat keputusan yang tepat. Sensor DO tipe elektrokimia sangat bagus karena lebih sederhana dan lebih murah, tetapi membutuhkan perawatan yang sering dan memiliki drift yang lebih tinggi. Di sisi lain, sensor optik membutuhkan perawatan yang rendah, sangat stabil, dan tahan lama, sehingga ideal untuk pemantauan jangka panjang.

Ketahanan sensor optik menjadikannya jenis sensor DO yang paling banyak digunakan. Produsen seperti Rika menyediakan sensor yang sangat akurat, seperti model RK500-04 mereka. Sensor ini menawarkan:

• Tingkat akurasi tinggi, dengan resolusi 0,01 mg/L dan akurasi ±0,5% FS.
• Waktu respons cepat kurang dari 60 detik.
• Desain terintegrasi tanpa pemancar eksternal.
• Probe ini terbuat dari baja tahan karat 316L atau paduan titanium untuk digunakan di lingkungan korosif seperti air asin.
• Peringkat perlindungan terhadap masuknya air dan debu IP68 untuk daya tahan.
• Kompensasi suhu otomatis dalam rentang yang luas dan output RS-485.

Jika Anda tertarik untuk menemukan berbagai macam sensor DO dengan desain yang kokoh, pertimbangkan untuk mengunjungi situs web RIKA untuk menjelajahi semua pilihan yang tersedia.

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)

Q1: Industri apa saja yang menggunakan sensor oksigen terlarut?

Industri, baik yang membutuhkan oksigen maupun tidak, dapat memanfaatkan sensor oksigen terlarut untuk memberikan nilai DO secara langsung. Industri seperti budidaya, perikanan, pengolahan air limbah, instalasi pengolahan air minum, dan berbagai sektor (termasuk minuman dan farmasi) semuanya menggunakan sensor DO untuk pemantauan kualitas air secara real-time dan langsung.

Q2: Apa pengaruh suhu terhadap pengukuran oksigen terlarut?

Suhu dapat menghambat akurasi sensor DO—kelarutan oksigen menurun seiring dengan peningkatan suhu. Oleh karena itu, sensor perlu dikalibrasi ulang untuk kondisi suhu baru. Sensor DO modern dilengkapi dengan kompensasi suhu, yang membuatnya mampu beroperasi dalam kondisi suhu apa pun. Namun, bekerja dalam kondisi ekstrem (limbah panas, danau dingin) memerlukan kalibrasi yang cermat.