36
BAHAN DAN METODE Waktu, Tempat dan Tahapan Penelitian Penelitian dilaksanakan sekitar awal bulan Januari 2004 hingga bulan Maret 2005, dengan lokasi utama di Laboratorium Karet Balai Penelitian Teknologi Karet Bogor, untuk pembuatan sampel uji koagulum dan pengukuran sifat fisik dan elastik karet, dan di Laboratorium Ultrasonik, Departemen Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung, untuk pengujian ultrasonik. Penelitian dilaksanakan melalui tahapan sebagaimana ditampilkan pada Gambar 11, dengan uraian sebagai berikut. 1
Survey lapang, ditujukan untuk mengamati variasi jenis koagulum karet yang dihasilkan petani karet dan cara-cara pembuatannya.
2
Penetapan batas kondisi koagulum, sampel uji yang digunakan bersifat pemodelan dengan pembatasan ketebalan dan jenis koagulan, serta jenis dan ukuran kotoran.
3
Normalisasi peralatan, inventarisasi sarana yang diperlukan dalam pelaksanaan penelitian, meliputi sarana untuk pembuatan sampel uji, peralatan ultrasonik dan perlatan uji sifat fisik-elastik karet.
4
Preparasi sampel uji, meliputi penyiapan lateks kebun, pengaturan konsentrasi koagulan dan penyiapan kotoran, penggumpalan dan analisis mutu koagulum.
5
Penelitian pendahuluan, untuk penetapan kondisi yang sesuai agar pengukuran gelombang ultrasonik berlangsung dengan baik. Jika peralatan ultrasonik ternyata tidak mampu mendeteksi kecepatan atau atenuasi gelombang, maka dilakukan pengaturan ulang frekuensi dan penguatannya serta pengaturan ketebalan sampel uji. Perbedaan kecepatan gelombang sukar teramati jika sampel terlalu tipis. Sebaliknya jika terlalu tebal, gelombang sukar menembus koagulum sehingga atenuasinyapun tidak dapat diukur.
6
Penelitian lanjutan setelah terdapat kepastian bahwa peralatan ultrasonik sudah mampu mengukur kecepatan dan atenuasi. Disamping itu, seluruh peralatan untuk pengujian sifat fisik dan elastik sudah siap digunakan.
7
Pengolahan data, mengamati hubungan kadar air, kadar karet kering dan modulus Young terhadap densiti, atenuasi dan kecepatan gelombang.
37
8
Penyusunan model matematik kadar air, kadar karet kering dan modulus Young sebagai fungsi sifat akustik, serta penyusunan model JST untuk penentuan kadar karet kering.
9
Validasi, untuk mengetahui sejauh mana keakuratan model matematik dan JST yang dihasilkan pada butir 8 di atas. Mulai Survey lapang
Normalisasi peralatan
Tidak terukur
Penelitian pendahuluan uji ultrasonik
Pengaturan frekuensi gelombang ultrasonik atau pengaturan ketebalan dan kadar kotoran
Pembatasan kondisi sampel uji Preparasi sampel uji
terukur Uji ultrasonik
Penelitian
Data sifat akustik
sampel validasi
Uji sifat fisik
Data sifat fisik Pengamatan korelasi sifat fisik vs akustik
Penyusunan model matematik : dan Jaringan Syaraf Tiruan (JST)
Uji validasi
kurang sesuai
+/sesuai
Gambar 11 Bagan tahap-tahap kegiatan penelitian
Selesai
38
Prosedur Penelitian Bahan Bahan utama yang digunakan adalah koagulum karet yang dibuat secara penggumpalan lateks kebun dan penambahan sejumlah kotoran. Koagulum
: dibuat dari lateks kebun asal kebun percobaan Ciomas
Zat penggumpal
: asam semut 1%
Zat pengotor
:
pasir
: 0, 5, 10, 15, 20% berat karet kering
tatal
: 0, 5, 10, 15, 20% berat karet kering
campuran pasir-tatal : 5% pasir +5% tatal, 10% pasir+5% tatal, 15% pasir + 5% tatal terhadap berat karet kering campuran tatal-pasir : 10% tatal +5% pasir, 15% tatal + 5% pasir terhadap berat karet kering Pembuatan sampel uji Untuk setiap komposisi koagulum tanpa kotoran, berisi pasir, tatal maupun campuran keduanya, dibuat 20 sampel uji, 5 sampel dipisahkan untuk keperluan uji validasi. Prosedur pembuatan sampel uji koagulum adalah sebagai berikut, 1
kadar karet kering (K3) lateks kebun terlebih dulu diukur, misak x%, lateks dimasukkan kedalam cetakan PVC ∅ dalam = 5 cm, misal terukur y ml, maka berat karet keringnya = xy/100 g,
2
pasir dan tatal yang akan digunakan sebagai kotoran, terlebih dulu diayak hingga pasir berukuran sekitar 0.5-1mm, dan tatal 3-5 mm,
3
sambil dilakukan pengadukan, kedalam lateks ditambahkan asam semut 1% sebanyak 0.4 ml/g karet bersama-sama dengan kotoran pada dosis 0-20% berat karet kering. Pengadukan dihentikan jika lateks mulai menggumpal. Kotoran
Asam semut
Koagulum 4-5 cm
Cetakan PVC
Lateks
φ ± 5 cm
39
Koagulum
Lateks
Cetakan
Asam format
Gambar 12 Visual preparasi sampel uji koagulum karet Pengukuran densiti, kadar air dan kadar karet kering Sebelum sifat-sifat akustiknya diuji, kadar karet kering, kadar air dan densitinya setiap sampel uji terlebih dulu diukur secara pengukuran berat dan volume dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. (Wk − Wkk ) x100% Wk Wk (Wk − Wkk − Wkot ) x100% ; Densiti = Kadar air = kg m-3 , (Wk − Wka ) Wk
Kadar karet kering =
dimana : Wk = berat koagulum, kg ; Wkk = berat karet kering, kg Wkot = berat kotoran, kg ;
Wka = berat di dalam air, kg
Pengukuran Gelombang Ultrasonik Pada Gambar 13 ditampilkan skema peralatan yang dikembangkan untuk pengukuran gelombang ultrasonik yang melewati koagulum karet. Gelombang ultrasonik dari perangkat USIP 12 (Krautkramer Branson), disalurkan ke transduser piezoelektrik 2 MHz. Setelah melewati sampel karet, sinyal diubah menjadi data digital oleh oskiloskop digital ETC M621, lalu disalurkan ke PC, dan di layar monitor ditampilkan kurva gelombang beserta informasi : 1
Lama gelombang merambat di dalam sampel karet untuk menghitung kecepatan gelombang :
CL =
L , ∆t
dimana CL = kecepatan longitudinal
gelombang ultrasonik (m dtk-1) ; L = tebal koagulum (m) , dan ∆t = waktu rambat gelombang di dalam koagulum karet (detik).
40
2
Amplitudo gelombang di dalam karet dan di media acuan untuk menghitung atenuasi dengan menggunakan persamaan berikut, A log Ao I = − 20 L
dimana : I = atenuasi, dB m-1
A = amplitudo gelombang di dalam bahan, mV A0 = amplitudo di dalam media acuan, mV L = tebal koagulum, m ETC M621 USIP 12
Receiver
Transmitter Transduser 2MHz
PC
Oskiloskop Digital ETC M621
Sampel Karet
Transduser 2MHz
Ultrasonic Flow Detector (USIP 12)
Gambar 13 Peralatan ultrasonik untuk pengujian sifat akustik koagulum karet Contoh pengukuran kecepatan dan atenuasi gelombang ultrasonik, untuk koagulum bercampur 5% pasir berkadar air sekitar 35%, tebal sampel uji, L= 42 mm (=0.042 m). Amplitudo pada media acuan (air) pada penguatan 40x = 2531 mV. Dari kurva gelombang ultrasonik sebagaimana ditampilkan pada Gambar 14, diperoleh data waktu rambat, t = 27.96µs (= 27.96 10-6 detik) dan amplitudo A1 = 3063 mV pada penguatan 70x, 1 kecepatan gelombang : CL = (0.042 m) / (27.96 10-6 detik) = 1502 m dtk-1 ,
41
2 selisih penguatan=75-40=35, amplitudo pada penguatan 40x = (3063/10)
35/20
=
54.29 mV, maka atenuasi = - (20/42) log (54.29/2531) = 794.6 dB m-1 .
Gambar 14 Contoh kurva gelombang ultrasonik Pengukuran Elastisitas Karet Pada Gambar 15 ditampilkan skema peralatan Tensometer yang dkembangkan untuk mengukur sifat elastik karet, terdiri atas motor penggerak tipe lLinear MSM 425 (Oriental Motor-Japan), load cell Sensotec-HM 711532 dan speed controller DSP 502M. Sampel uji berukuran tebal 4-5 mm, lebar ± 10 mm, dan panjang sekitar 10 cm, diatur berkadar kotoran 0-20%. Motor linier MSM 425 Speed Controler DSP 502M PC Batang ulir penarik
Load cell Sensotec-HM 711532 Sampel uji
Gambar 15 Peralatan untuk pengujian modulus Young koagulum karet
42
Pengukuran dilaksanakan dengan cara meregang sampel uji pada kecepatan konstan 0,87 mm dtk-1. Dari grafik yang dihasilkan, sebagai contoh disajikan pada Gambar 16, dapat dihitung nilai modulus Young.
Gambar 16 Contoh kurva tegangan-regangan untuk penentuan Modulus Young
Pengolahan data Data yang dihasilkan dari pengujian ultrasonik dan sifat fisik tersebut di atas selanjutnya diolah dengan tahapan sebagai berikut. 1
Mengalurkan densiti, modulus Young, kecepatan dan atenuasi terhadap kadar air dengan parameter kadar kotoran, untuk mengamati pengaruh perubahan kadar air dan kotoran terhadap sifat akustik dan sifat elastik koagulum.
2
Menyusun model matematik untuk penentuan kadar air, kadar kotoran, dan modulus Young sebagai fungsi sifat akustik. a
Modulus Young (E) sebagai fungsi densiti (ρ) dan kecepatan gelombang (CL), dengan menggunakan persamaan E =
ρ o (1 + ν )(1 − 2ν ) 2 CL (1 − ν )
Sebelumnya, dilakukan pemeriksaan bagaimana hubungan perbandingan Poisson (v) terhadap perubahan kadar air (Ka) dan kotoran (Kkot), dengan menyusun model matematis perbandingan Poisson sebagai fungsi kadar m
air dan kotoran, v = a Ka + b Kkot
n
43
b
Modulus Young sebagai fungsi hiperbolik dan geometrik dari densiti, kecepatan dan atenuasi (I) , Model 1A (hiperbolik) : E =
k1ρ C L 2
(1 + k 2 I 2C L 2 ) p
q
Model 1B (geometrik) : E = a ρ CL I c
r
Kadar air (Ka) atau kadar karet kering (K3) sebagai fungsi hiperbolik dan geometrik dari densiti, kecepatan dan atenuasi . Kadar air : 1/3
k1ρ C L 2
Model 2A (hiperbolik) : (100-Ka)
=
Model 2B (geometrik) : (100-Ka)1/3
= a ρ CL I
(1 + k 2 I 2C L 2 ) p
q
r
Kadar karet kering : Dengan terlebih dulu menentuan Ka dan Kkot (kadar kotoran) n
Model 3A (hiperbolik): a Ka – b Kkot =
k1ρ C L 2
(1 + k 2 I 2C L 2 )
n
p
q
Model 3B (geometrik) : a Ka – b Kkot = a ρ CL I 3
r
Melakukan validasi model matematik dan mengamati besarnya penyimpangan nilai hasil perhitungan (nilai prediksi) terhadap nilai target (hasil pengukuran/pengujian langsung), serta menetapkan nilai RSME (Root Mean Square Error) . RSME =
2 ( ) − X X p u ∑
n
dimana : Xp = nilai target (hasil pengukuran/pengujian langsung) Xu = nilai prediksi dengan model matematik (metode ultrasonik) n = jumlah contoh data pada set validasi Untuk validasi model matematik K3 dengan menggunakan fungsi hiperbolik maupun geometrik, diperlukan masukan nilai kadar air (Ka). Perhitungan nilai Ka
44
dilakukan dengan menggunakan model 2A dan 2B. Setelah Ka dan dihitung kadar kotoran (Kkot), selanjutnya K3 ditentukan, K3 = 100 – (Ka+Kkot). Penentuan nilai Ka bisa dilakukan dengan menggunakan model matematik 2A arau 2B di atas.
Aplikasi JST Untuk Penentuan Kadar Karet Kering Model JST disusun dengan bantuan perangkat lunak NN-toolbox dari Matlab 6.1.0.450 Release 12.1. Program JST yang digunakan selengkapnya disajikan di bagian Lampiran. Gambar 17 adalah contoh tampilan NN-toolbox untuk pemilihan arsitektur JST, menjalankan proses pembelajaran dan uji validasinya.
Gambar 17 Contoh tampilan NN-Toolbox Matlab . 6.1.0.450
Metode JST dipilih jenis Back Propagation dengan parameter untuk proses pembelajaran adalah sebagai berikut. a
Fungsi transfer Lapisan tersembunyi : logistik sigmoid Lapisan keluaran
: logistik sigmoid
b Jumlah simpul pada lapisan masukan sebanyak 3, yaitu
p1 = densiti koagulum, kg m-3 p2 = kecepatan gelombang ultrasonik, m dtk-1 p3 = atenuasi gelombang ultrasonik, dB m-1
45
c Jumlah simpul pada lapisan keluaran hanya satu, y = densiti koagulum, kg m-3 d Jumlah simpul pada lapisan tersembunyi, dicoba antara 5 sampai 20 e Parameter pembelajaran lainnya : Iterasi (epoch) = 300-1000 MSE (mean square error) sasaran = 0.0001 Inisiasi µ (laju pembalajaran, learning rate) = 0.01 Sebelum proses pembelajaran dilaksanakan, nilai-nilai masukan dan keluaran terlebih dulu dinormalisasi agar sesuai untuk fungsi aktifasi log-sigmoid, yakni berada pada selang nol sampai satu. Normalisasi menggunakan rumus sebagai berikut.
Χ hasil normalisasi =
X lama − X min imum X maksimum − X min imum
JST hasil pembelajaran menghasilkan nilai pembobot dan bias, yang selanjutnya digunakan untuk uji validasi kadar karet kering. Hasil validasinya dibandingakan dengan hasil validasi kadar karet kering yang dihitung dengan model matematik. Perbandingan kinerja JST maupun model matematik dikaji berdasarkan nilai-nilai RMSE, koefisien korelasi, penyimpangan tertinggi, jumlah data yang menyimpang paling tinggi 5% dan 10%, serta jumlah data dengan nilai kadar karet kering menyimpang di atas 15% terhadap nilai target.
