JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
1
PERANCANGAN FIBER OPTIC MULTIMODE SEBAGAI SENSOR pH Nursukmasari Qomaria dan Endarko Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Sensor pH dengan variasi lekukan telah berhasil dibuat dengan mengunakan fiber optik mutimode. Dua variasi lekukan yaitu U dan mampu mendeteksi tingkat perubahan keasaman dan kebasahan larutan uji. Penyajian alat ini menggunakan keluaran dalam bentuk tegangan, dimana sensor yang dipakai adalah LDR (sebagai penerima cahaya) dan LED (sebagai pemancar cahaya). Sistem ini dirancang dengan menggunakan prinsip spektroskopi yaitu mengukur intensitas cahaya yang melewati cairan dan cahaya yang melewati cairan tersebut diterima oleh sensor LDR. Data keluaran berupa tegangan pada voltmeter dari suatu larutan uji. Berdasarkan hasil pengujian, diperoleh data keluaran sebelum dicelupkan ke dalam larutan uji sebesar 11.53 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk U dan diperoleh 11.47 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk γ. Setelah dicelupkan pada larutan uji diperoleh grafik linearitas dimana semakin besar nilai pH, maka diperoleh tegangan output yang semakin kecil. Hasil penelitian menunjukkan bahwa fiber optik multimode dengan coating resin dan kunyit ini dapat digunakan sebagai sensor pH, khususnya pada rentan pH 1 sampai 8 dalam pemakaian secara berkala. Kata Kunci — fiber optik, pH, LDR, Voltmeter
I. PENDAHULUAN Pengukuran pH sangatlah penting dalam dunia medis, industri, maupun penelitian. Pengukuran pH, yaitu pengukuran ion hydrogen dalam suatu larutan. Larutan dengan nilai pH rendah dinamakan ”asam” sedangkan yang harga pH-nya tinggi dinamakan ”basa”. Skala pH terentang dari 0 (asam kuat) sampai 14 (basa kuat) dengan 7 adalah harga tengah mewakili air murni (netral). (Arenholt, 2009). Dalam perkembangannya, fiber optik (serat optik) dapat dimanfaatkan dan difungsikan sebagai sensor pH. Sensor yang bekerja berdasarkan serat optik memiliki beberapa keunggulan dari sensor yang bekerja berdasarkan listrik. Beberapa diantaranya adalah ketelitian yang tinggi, tidak dipengaruhi medan listrik dan magnet, tidak menimbulkan percikan api, dan mengirim informasi dengan sangat cepat (Peterson, 1980). Berdasarkan hal tersebut, maka dalam tugas akhir ini akan dirancang dibuat sebuah alat yang dapat mengukur tingkat pH suatu larutan dalam range nilai tertentu menggunakan fiber optik. Tugas akhir ini hanya berada dalam ruang lingkup pembahasan mengenai alat pendeteksi keasaman (pH) larutan dengan menggunakan fiber optik yang di-coating dengan resin dan ekstrak kunyit. Resin di sini berfungsi untuk mengikat ion
H dan OH sedangkan kunyit sebagai indikator alami asam dan basa. Output dari hasil penelitian ini berupa nilai tegangan pada Voltmeter. Sampel larutan uji yang digunakan dengan variasi pH adalah larutan NH4OH 4,3 M yang menghasilkan larutan basa dengan pH 8 sampai 12 dan HCL 12 M yang menghasilkan larutan asam dengan pH 1 sampai 6. Dalam perangkaian alat menggunakan LED merah sebagai sumber cahaya dan photoresistor sebagai receiver cahaya dimana fiber optik yang digunakan untuk sensor pH adalah fiber optik multimode tipe FD-620-10 dan voltmeter digital sebagai penentu nilai tegangan keluaran dari larutan uji yang telah diketahui kadar asam-basanya. II. METODOLOGI Pada perancangan sistem sensor pH berbasis fiber optik ini dilakukan secara bertahap untuk memudahkan analisis sistemnya. Prosedur kerjanya meliputi pembuatan variasi larutan pH menggunakan HCL (sebagai larutan asam) dan NH4OH (sebagai larutan basa), pembuatan rangkaian catu daya, rangkaian pembagi tegangan, pengupasan cladding, pemberian coating resin pada fiber optik, dan pengujian rangkaian. Sebelum melakukan perancangan dan perealisasian alat, maka perlu ditentukan spesifikasi alat yang akan dibuat. Spesifikasi alat yang akan direncanakan antara lain sumber cahaya yang digunakan adalah Led infra merah dengan photoresistor sebagai penerima intensitas cahaya yang masuk, pada kupasan cladding fiber optik digunakan resin sebagai coating, dan keluaran dari sensor pH ini berupa nilai tegangan pada voltmeter hasil pembandingan dengan larutan pH referensi melalui 5 kali perulangan pengukuran. Cairan Asam-Basa Catu daya
Sumber Cahaya (LED)
Fiber dengan Coating Resin
Voltmeter
Gambar 1 Blok diagram sistem
Photoresistor
Rangkaian Pengkondisi Signal
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
2 III. PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
Pemotongan Serat Optik sepanjang 20 cm Pengkupasan cladding pada bagian tengah Serat Optik sepanjang 2 cm.
Pengkupasan cladding setebal 20 um dilakukan dengan cara menggosokan kapas yg telah dibasahi dengan cairan Aseton, kemudian digosok menggunakan kertas khusus
Penempelan bahan Resin dan bahan kunyit pada bagian cladding yang telah dikupas. Pemasangan satu ujung serat optik pada fototransistor dan satu ujung yang lain pada LED infra merah Perancangan konfigurasi serat optik untuk sistem sensor dengan variasi lekukan Gambar 2 Perancangan sensor serat optik untuk deteksi pH Cahaya yang dipancarkan oleh LED berasal dari tegangan yang diberikan oleh catu daya sebesar +12 Volt, kemudian cahaya melewati fiber optik yang telah di coating dengan resin dan dibuat variasi lekukan berbentuk U dan γ (seperti dalam Gambar 3a dan 3b). Fiber optik yang telah di coating dengan resin dan divariasikan lekukannya lalu dicelupkan kedalam cairan pH mulai dari pH 0 sampai pH 12. Cahaya yang melewati fiber optikakan terabsorbsi oleh cairan pH tersebut lalu sebagian cahaya akan diterima oleh sensor LDR yang kemudian diteruskan ke rangkaian pengkondisi sinal sehingga tampil pada voltmeter.
(a)
(b)
Gambar 3 Variasi lekukan fiber optik sebagai sensor
Pengujian alat pertama kali dilakukan terhadap catu daya +12 volt dilakukan dengan cara memberi masukan tegangan AC secara konstan, kemudian tegangan output diukur dengan menggunakan avometer digital. Data diambil dengan melihat nilai yang tertera pada AVOmeter kemudian dicatat. Kemudian steker dicabut dari stop kontak, biarkan data turun sampai 0 volt. Kemudian setelah itu data sudah bisa diambil lagi. Pengambilan data dilakukan sebanyak 10 kali dengan tegangan masukan sebesar 12 volt. Tegangan keluaran rata-rata diperoleh 12.035 volt dan hasil kuadrat dari total selisih tegangan output terhadap nilai tegangan output rata-rata adalah sebesar 0.0002525 volt. Setelah didapatkan hasil pengukuran, untuk menganalisa kelayakannya maka akan dilakukan perhitungan ralat pengukuran sehingga diperoleh ralat mutlak, ralat nisbi, dan keseksamaan secara berurutan yaitu 0.0017 Volt, 0.014%, dan 99.986%. Dalam perancangan alat ini, LED infra merah memiliki panjang gelombang 700 nm sampai 1000 nm. Dalam hal ini, tipe sensor yang digunakan adalah IF-E91 dan IF-D92. IF-E91 adalah led infra merah sedangkan IF-D92 adalah foto transistor. Kedua komponen tersebut digunakan berpasangan sebagai sensor pH, dimana led infra merah disini berfungsi untuk merambatkan cahaya melalui fiber optic secara fokus ke foto transistor. Tegangan keluaran yang dihasilkan foto transistor dipengaruhi oleh intensitas cahaya yang diberikan oleh led infra merah, dan oleh sebab itu jika ada zat-zat atau ion lain, berupa H+ dan OH- yang menghalangi laju penyinaran led infra merah ke foto transistor, maka hal ini akan mengakibatkan perubahan tegangan pada foto transistor. Menurut teori, sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Sinar inframerah yang dihasilkan oleh elektron-elektron ini akan mengabsorbsi ion H+ atau OH- yang dilewatinya. Penggunaan resin berfungsi sebagai pengikat ion H+ ataupun OH-. Sementara penggunaan kunyit berfungsi sebagai indikator alami perubahan warna tingkat asam-basa suatu larutan. Cahaya yang melewati fiber optik akan diabsorbsi sebagian karena elektron-elektron bereaksi dan berikatan dengan ion-ion tersebut sehingga sebagian cahaya yang lewat akan ditangkap oleh fotoresistor. Pengujian terhadap sensor dilakukan dengan cara memberi tegangan supply sebesar 12 volt kemudian LED dan LDR ini dipasang pada ujung-ujung fiber optik, dimana pemasangan sensor disini letaknya saling berhadap-hadapan antara LDR dan LED infra merah. Data diambil dengan cara mengukur tegangan output sensor LDR sebelum dan saat dicelupkan dalam variasi larutan pH sebanyak 5 kali. Pengambilan data dengan menggunakan LED infra merah sebelum tercelup dalam larutan pH diperoleh 11.53 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk U dan diperoleh 11.47 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk ﻻ. Dan nilai tegangan keluaran setelah dicelupkan dapat dilihat pada Tabel 1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4 Tabel 1 Hasil pengujian respon sensor setelah dicelupkan ke dalam larutan pH
Tingkat Larutan pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tegangan Keluaran (V) U ﻻ 11.98 11.918 11.928 11.63 11.936 11.874 11.956 11.856 11.874 11.78 11.98 11.866 11.882 11.816 11.92 11.88 11.95 11.886 12.02 12.022 11.18 10.06 10.66 9.35
Gambar 4 GrafikTegangan Keluaran pada Fiber Optik dengan dengan Lekukan U
Gambar 5 Tegangan Keluaran pada Fiber Optik dengan dengan Lekukan γ
3 Untuk pengujian alat, yang diukur adalah tegangan keluaran power supply dan sensor. Cara pengujiannya adalah dengan cara mengukur tegangan keluaran pada power supply +12 V dengan menggunakan voltmeter, pengujian sensor sebanyak 5 kali pengujian. Sedangkan pada pengujian alat keseluruhan yaitu dengan mencatat tegangan keluaran pada volltmeter digital pada tegangan rata-rata yang muncul dan range data diantaranya sebanyak 5 data pada masing-masing nilai pH larutan referensi dan masing-masing variasi lekukan fiber optik. Pada pengujian fiber optik sebagai sensor pH, diambil beberapa data perbandingan antara nilai tegangan output pada variasi lekukan berbentuk U dan berbentuk ﻻ.yang digunakan.Sebagaimana dalam Gambar 4 dan Gambar 5. Pada Gambar 4 dan Gambar 5 dapat dianalisis bahwa pada nilai pH 1 sampai 9 terjadi linearitas nilai tegangan keluaran. Sementara pada pH selanjutnya nilai tegangan sudah tidak linear. Hal ini desebabkan karena pada saat fiber optik yang di coating dengan bahan resin dan kunyit ini saat dicelupkan dalam larutan basa, akan cepat bereaksi, dengan reaksi ikatan sebagai berikut : R-OH + Anion(A) → R-A + OHR + NH4OH → R-NH4+ + OHreaksi di atas menyebabkan ikatan resin dan kunyit tersebut semakin renggang dan mengembang di dalam air, sehingga menyebabkan coating rapuh dan tidak kuat menempel pada fiber optik. Hal ini menyebabkan tegangan yang tertangkap oleh photoresistor tidak konstan dan selalu mendekati 0 Volt, yang berarti banyak cahaya yang losses akibat absorbsi dan atenuasi cahaya oleh larutan dan gangguan reaksi antara larutan basa dengan bahan coating yang menghalangi penjalaran cahaya dalam fiber optik. Selain itu juga dipengaruhi oleh ketahanan fiber optik itu sendiri. Sementara pada fiber optik dengan bentuk lekukan U menghasilkan nilai tegangan keluaran yang lebih besar daripada tegangan keluaran pada fiber optik dengan lekukan ﻻ. Dimana semakin besar intensitas cahaya yang diterima oleh fotoresistor, maka akan menyebabkan resistansinya juga semakin besar, sehingga tegangan keluaran akan semakin besar, begitu pula sebaliknya. Berdasarkan hal tersebut, dapat disimpulkan bahwa pada fiber optik dengan lekukan U menyebabkan losses cahaya dalam fiber optik lebih kecil daripada losses yang ditimbulkan oleh fiber optik dengan lekukan ﻻ. Untuk meminimalisir dampak melekatnya zat sisa asam atau basa pada bahan coating dengan membersihkan terlebih dahulu menggunakan aquades dan mengeringkan bahan coating fiber optik tersebut sebelum dicelupkan kembali pada larutan referensi selanjutnya. Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil percobaan, maka ketahanan dan keakuratan nilai tegangan keluaran yang diperoleh pada sensor tersebut akan lebih baik jika sensor digunakan secara berkala dalam pengujian pH suatu larutan karena bahan coating yang telah dicelupkan dalam larutan uji tersebut perlu dinetralisir terlebih dahulu dari kontaminasi zat yang terkandung dalam larutan dan dikeringkan agar kembali berfungsi seperti pada keadaan semula.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4 IV. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan antara lain yaitu pada saat pengujian sensor sebelum dicelupkan pada larutan pH didapatkan tegangan output ratarata sebesar 11.53 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk U dan diperoleh 11.47 ± 0.01 Volt untuk fiber optik berbentuk ,ﻻ pada saat pengujian sensor setelah dicelupkan pada larutanlarutan pH didapatkan grafik linearitas dimana semakin besar nilai pH, maka diperoleh tegangan output yang semakin kecil, kecuali pada range pH basa, fiber optik multimode sebagai sensor dengan coating bahan resin dan kunyit ini lebih cocok digunakan pada rentan pH 1 sampai 9 dalam pemakaian secara berkala, dan fiber optik dengan lekukan berbentuk γ mempunyai losses cahaya yang lebih kecil dibanding lekukan berbentuk U. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]
Agrawal, Govind.P, 2001, Fiber-Optic Communication Systems, A John Wiley & Sons, Inc, New York. Albert, P, Malvino. “Prinsip-prinsip Dasar Elektronika”. Penerbit Erlangga, 1994 Alcouffe, R, Barbour, R, dan Hielscher, A, (1998), “Comparison of finitedifference transport and diffussion calculations for photon migration inhomogenous and heterogenous tissues”, Phys. Med. Biol, 42:1285-1302 Arenholt-Bindslev D. Biocompatibility of dental materials. Germany : Springer, 2009 : 102-4, 119-20 Craig Peacock, 2005. Interfacing the AT keyboard. http://www .beyondlogic.orglkeyboardlkeybrd.htm Drs. Soeharto. 1995.”Fisika Dasar II”. PT Gramedia Pusaka Utama : Jakarta Giancoli, D.C. 1997.Physics . Terjemahan oleh Cuk Imawan dkk. 1997. Jakarta : Erlangga G. Pang, T.Kwan, C. Chan, H. Liu, Oct. 5-8,1999. "LED trafficlights as a communication device," in Proc.Int. Conf IntelligentTransportation Systems, Tokyo, Japan,, pp. 788-793 Keenan. 1995. Kimia Untuk Universitas. Jilid 1. Edisi Keenam. Jakarta : Erlangga Mochtar Wijaya, ST,2001, “Dasar-dasar Mesin Listrik”, Djambatan,Jakarta.ATMEL, “Datasheet ATmega8535” Robert, C. Francis, A. 2002. Organic Chemistry. New York : Mc Graw Hill Companies Schmalz G.2001. Resin-based composites. In : Schmalz G,. T.L. Yeo.,“Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measureme”, Sensors and Actuators AVol. 144, (2008), Hal. 280–295. Yu,Francis T S ; Yin, Shizhou, Fiber Optic Sensor, Pennsylvania, Marcel Dekker, (2002) http://www.technologystudent.com/elec1/ldr1.htm/ V. Ryan © 20022012 http://www.google.com/2003/04/serat optik, tanggal akses 20 juli 2010 http://www.kpsec.freeuk.com/components/led.htm/ John Hewes 2011, The Electronics Club, www.kpsec.freeuk.com http://www.wikipedia.com/2012/01/07/246/ https://www.google.co.id/search?q=penjalaran+cahaya+dalam+fiber+op tik&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:en-US:official&client=firefoxbeta&um=1&ie=UTF8&hl=id&tbm=isch&source=og&sa=N&tab=wi& ei=x8_sT5GDHISYiAfp8MzDBQ “Pengenalan Sistem Komunikasi Serat Optik”
4
