PERANCANGAN SENSOR pH MENGGUNAKAN FIBER OPTIK BERDASARKAN VARIASI KETEBALAN DAN KONSENTRASI SAMPEL REZA ADINDA ZARKASIH NRP. 1107100050 DOSEN PEMBIMBING : DRS. HASTO SUNARNO,M.Sc
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan alam Intitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Pendahuluan *Latar Belakang
*Tujuan Tujuan dari Tugas akhir ini adalah untuk menganalisis dan
merancang sensor pH dengan menggunakan serat optik submikron berdasarkan variasi ketebalan dan konsentrasi sampel
Perancangan sensor merupakan pengembangan penelitian sebelumnya Sensor pH berdasarkan variasi ketebalan dan konsentrasi sampel Sensor ini merujuk pada konsep absorpsi yang dinyatakan oleh Lumbert-Beer Larutan yang digunakan sebagai sampel adalah HCl,NaOH,Aquades, dan NH4OH
Tinjauan Pustaka
pH pH Meter
Fototransistor
Serat optik sebagai sensor pH
Lumber t Beer
Karakteristik serat optik
Snellius
Serat optik
Pemantula n dalam sempurna
pH Ukuran untuk menentukan sifat larutan asam, basa , dan
netral Persamaan untuk menghitung pH larutan
Untuk larutan asam nilai pH bernilai dibawah 7 Untuk larutan basa nilai pH bernilai diatas 7 H+ dan OH- merupakan konsentrasi ion
pH-meter Prinsip yang dimiliki pH meter adalah potensiometri
Volt meter
Elektroda pH
Referensi
Jembatan garam
dimana Potensiometri adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari pengukuran perubahan potensial dari elektroda untuk mengetahui konsentrasi dari suatu larutan. Elemen yang digunakan adalah : * elektroda acuan,pengukur (voltmeter),elektroda referensi/indikator, jembatan garam, dan larutan Elektroda acuan (pH) potensial yang dihasilkan (biasanya dalam mV) adalah berbanding lurus dengan konsentrasi ion hydrogen (H+) dalam larutan Elektroda referensi berguna untuk mempertahankan potensial secara konstan terlepas dari adanya perubahan pH atau aktivitas ionik lainnya dalam larutan jembatan garam pada sel referensi berguna untuk mempertahankan kontak listrik antara 2 elektroda selama proses pengukuran dalam pH berlangsung.
Serat optik sebagai sensor pH Serat optik dapat digunakan sebagai pengukuran pH.Dimana
penggunaan serat optik dalam kerjanya tidak terlalu dipengaruhi dengan arus listrik, memiliki keakuratan yang lebih baik, dan kemungkinan dapat melakukan penginderaan jarak jauh. Metode yang biasa digunakan adalah optrodes yaitu immobilisasi larutan yang berisi indikator pH diujung atau ditengah dibagian tengah dari satu atau lebih serat optik yang digunakan untuk menghubungkan cahaya indikator dan instrumentasi pengukuran. Penelitian ini menggunakan prinsip kerja berdasarkan hasil penyerapan cahaya yang diperoleh dengan mengubah-ubah ketebalan sampel larutan sesuai hukum Lumbert Beer
Hukum Snellius Garis normal Sudut bias
Hukum Snellius ini dimodelkan secara Matematis sebagai berikut : n1 sin ө1= n2sin ө2 Bahan berindeks bias kecil
Bahan berindeks bias besar
Sinar cahaya
Sudut datang
Pemantulan dalam Sempurna peristiwa dimana sebuah cahaya merambat menuju bidang
perbatasan dengan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis, maka cahaya tersebut akan dipantulkan kembali (oleh bidang perbatasan) kedalam bahan pertama. Dalam hal ini bidang perbatasan di ibaratkan sebagai cermin. Garis normal Cahaya keluar dari bahan pertama
Ketika sudut datang lebih besar dari sudut kritis
Sudut kritis Pada sudut datang yang kurang dari sudut kritis cahaya dapat menembus bidang perbatasan
Cahaya akan terpantul balik
Serat Optik serat optik terdiri dari tiga lapisan: inti(core),kulit(cladding), dan
coating atau buffer (pelindung). Serat optik terdapat 3 jenis : serat optik moda tunggal (single mode), serat optik moda jamak step indeks (multimode step index), dan serat optik moda jamak graded indeks (multimode graded index) Multimode step index : Mudah terminasi, Kopling efisien,Murah
Multimode step index
(palais, J - http://comes.umy.ac.id)
Jenis Serat Optik
Single index
mode
Multimode index
Kelebihan
Dispersi minimum Bandwidth Lebar step Sangat efisien
Step
Mudah terminasi Kopling efisien Murah
Kekurangan
NA kecil Sulit untuk terminasi Mahal Dispersi lebar Bandwidth minimum
Karakteristik serat optik Numerical Aperture : ukuran yang menunjukkan tentang sudut penerimaan maksimum
dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti serat. Perhitungan NA dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
Rugi-rugi daya serat optik :
Rugi-rugi daya atau yang lebih sering disebut atenuasi merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan jarak pengulangan (repeater),jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan. Besarnya atenuasi atau rugi-rugi daya dinyatakan oleh persamaan berikut : dB/m (2.7) Dengan, L = Panjang serat optik Pin = Daya yang masuk kedalam serat optik Pout = Daya yang keluar dari serat optik (www.ittelkom.ac.id/library) Dispersi merupakan pelebaran pulsa yang terjadi pada saat sinyal ditransmisikan. (www.ittelkom.ac.id/library)
Lumbert beer Banyaknya jumlah sinar radiasi yang diabsorbsi oleh suatu larutan
dapat dihubungkan dengan konsentrasi larutan tersebut. apabila energi elektomagnetik diabsorbsi oleh suatu larutan maka kekuatan energi yang akan ditransmisikan kembali akan menurun secara geometri (secara eksponensial) dengan jarak atau panjang yang ditempuh oleh gelombang tersebut. Io
I = Io e-abc larutan
Terjadi absorbsi larutan terhadap gelombang cahaya yang datang
I
a = 2,3026
Fototransistor Fototransistor adalah salah satu jenis fotodetektor yang
berfungsi untuk mengubah cahaya (photon) menjadi arus listrik Fototransistor terdiri dari NPN dan PNP yang dengan suatu material transparan sehingga memungkinkan cahaya inframerah mengenai daerah basis sedangkan transistor ditempatkan pada bahan logam dan tertutup (Fraden,2006)
Metodologi PERANCANGAN SENSOR PH
PEMBUATAN LARUTAN ASAM,BASA,DAN NETRAL Power supply
PERANCANGAN
Multi meter
STANDARISASI ALAT SENSOR PH Jika tidak sesuai PENGAMBILAN DATA
LAPORAN DATA DAN KESIMPULAN
Pembuatan Larutan Larutan HCL,NaOH, dan NH4OH pekat diencerkan hingga
mendapat konsentrasi masing- masing 0,1 ; 0,01 ; 0,001 di lab asam – Fisika ITS dengan persamaan V1. M1 = V2. M2 Pengukuran pH larutan HCl, NaOH, NH4OH dan Aquades memakai pHmeter dengan kalibratornya adalah larutan buffer Pengenceran Larutan HCl kedua kali karena tidak bisa terbaca oleh pHmeter
Blok diagram rangkaian Source (Led merah)
Serat optik
Sampel
Serat optik
fotodetektor
Analisa data No
PH
1 2 3
1.66 2.16 3.06
Keluaran sensor pada ketebalan (mV)
0.5 cm
1 cm
1.25 cm
1.36 1.25 1.11
1.12 1.05 0.98
0.89 0.99 0.85
Tabel 4.2 Tabel hasil keluaran sensor pH ketebalan sampel larutan HCl
No
Jenis Larutan
Konsentrasi Pengenceran
Konsentrasi Perhitungan
Keluaran sensor (mV)
0,5 1,25 1 cm cm cm 1 HCl 0.000003 0.0008 1.87 1.63 1.18 2 HCl 0.00001 0.002 1.66 1.23 1.37 3 HCl 0.000011 0.016 1.26 1.07 1.3 Tabel 4.3 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan HCl dengan ketebalan 0,5 cm; 1 cm; 1,25cm
No
PH
1 2 3
Konsentrasi
Keluaran sensor pada ketebalan (mV) 0.5 cm
1 cm
1.25 cm
8
0.001
0.78
0.6
0.64
10.32
0.01
0.49
0.42
0.66
11.24
0.1
0.46
0.35
0.49
Tabel 4.4 Data hasil eksperimen berdasarkan larutan basa NaOH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1 cm ; 1,25 cm
No 1
2 3
PH
Konsentrasi
Keluaran sensor pada ketebalan (mV) 0.5 cm
1 cm
1.25 cm
8.9
0.001
0.64
0.55
0.78
9.1
0.01
0.7
0.5
0.35
9.9
0.1
0.5
0.47
0.98
Tabel 4.5 Data hasil eksperimen berdasarkan larut basa lemah NH4OH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1 cm ;1,25 cm
No 1 2 3
Jenis Larutan NaOH NaOH NaOH
Konsentrasi Pengenceran 0.001 0.01 0.1
Konsentrasi Perhitungan 0.000001 0.0002 0.002
Keluaran sensor (mV) 1,25 0,5 cm 1 cm cm 0.78 0.6 0.64 0.49 0.42 0.66 0.46 0.35 0.49
Tabel 4.6 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan NaOH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1cm ;1,25 cm.
No 1 2 3
Jenis Larutan NH4OH NH4OH NH4OH
Konsentrasi Pengenceran 0.001 0.01 0.1
Konsentrasi Perhitungan 0.0000063 0.000016 0.00063
Keluaran sensor (mV) 0,5 cm 1 cm 1,25 cm 0.64 0.7 0.5
0.55 0.5 0.47
Tabel 4.7 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan NH4OH dengan ketebalan 0,5 cm; 1 cm; 1,25cm
0.78 0.35 0.98
Hubungan antara Keluaran terhadap nilai pH larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel 2
1.8
Keluaran (mV)
1.6
1.4 1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
nilai pH
Gambar 4.1 Grafik keluaran larutan asam kuat HCl dengan nilai pH berdasarkan ketebalan sampel = 0,5 cm
= 1 cm
= 1,25 cm
3.5
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel 2
Keluaran (mV)
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8
0.6 0.4 0.2 0
0
0.000002
0.000004
0.000006
0.000008
0.00001
0.000012
Konsentrasi larutan (M)
Gambar 4.2 Grafik Konsentrasi (pengenceran) terhadap Keluaran larutan asam HCL (0,000003M – 0,000011 M) dengan berdasarkan ketebalan sampel =0,5cm =1cm =1,25cm
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel 2
Keluaran (mV)
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
Konsentrasi perhitungan (M)
Gambar 4.3 Grafik Konsentrasi (perhitungan) terhadap Keluaran larutan asam HCL (0,0008M – 0,016 M) dengan berdasarkan ketebalan sampel =0,5cm =1cm =1,25cm
Hubungan antara Keluaran terhadap nilai pH larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel 0.9
Keluaran (mV)
0.8
0.7 0.6 0.5
0.4 0.3 0.2 0.1 0
7
8
9
10
11
nilai pH
Gambar 4.4 Grafik keluaran larutan basa NaOH dengan nilai pH berdasarkan ketebalan sampel = 0,5 cm
= 1 cm
= 1,25 cm
12
Hubungan antara Keluaran dengan Nilai pH larutan NH4OH berdasarkan variasi ketebalan sampel 1.2
Keluaran(mV)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
8.8
9
9.2
9.4
9.6
9.8
nilai pH Gambar 4.5 Grafik keluaran larutan asam dan basa dengan nilai pH berdasarkan ketebalan sampel 0,5 cm ; 1 cm ; 1,25cm = 0,5 cm
= 1 cm
= 1,25 cm
10
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel 0.9
Keluaran (mV)
0.8 0.7 0.6
0.5 0.4 0.3 0.2
0.1 0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Konsentrasi larutan
0.1
0.12
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel 0.9
Keluaran(mV)
0.8 0.7 0.6
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
0.0005
0.001
0.0015
Konsentrasi perhitungan (M)
0.002
0.0025
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NH4OH berdasarkan variasi ketebalan sampel 1.2
Keluaran (mV)
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Konsentrasi larutan (M)
0.1
0.12
Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan NH4OH berdasarkan sampel variasi 1.2
Keluaran (mV)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
Konsentrasi perhitungan (M)
0.0005
0.0006
0.0007
Pembahasan Sensor pH ini hanya mampu stabil dan konsisten pada ketebalan
sampel range 0,5cm - 1 cm Grafik hasil pengamatan terhadap konsentrasi larutan dan pH telah sesuai dengan konsep penyerapan yang diberikan oleh lumbert beer, dimana konsentrasi larutan berbanding lurus dengan penyerapan dan dimana absorbsi akan naik nilainya jika pH turun.(data pendukung dari Lidya Pratiwi A) Terdapat ketidaksesuaian antara data yang diperoleh berdasarkan perhitungan dan pengenceran, hal ini disebabkan karena faktor pada volume larutan pekatnya,penggunaan pipet volum yang berbeda-beda, serta kesalahan dalam penggunaan yang seharusnya menggunakan labu ukur agar mendapatkan nilai yang benar.
Kesimpulan Pada tugas akhir tentang perancangan sensor fiber optik terhadap nilai PH larutan asam basa dapat disimpulkan sebagai berikut : Sensor ini dapat digunakan pada pH 1,66 ; 2,16; 3,06 untuk larutan asam dan 8 ; 8,9 ; 9,1 ;9,9; 10,32 ; 11,5 untuk larutan yang bersifat basa dengan inputan 2,4 V pada source atau sumber cahayanya Sensor ini menunjukkan tegangan output yang baik dan berkesesuaian pada larutan asam maupun basa berdasarkan variasi ketebalan Sensor
Saran Pada tugas akhir kali ini penulis menyarankan agar pembuatan
larutan yang akan dijadikan sampel dilakukan dengan perhitungan yang tepat dan tempat yang steril. Kemudian, perlu adanya pengembangan sistem sensor dengan penambahan ADC sebagai media penunjukkan nilai pH pada larutan yang akan digunakan agar dapat memudahkan pembacaan. Selain itu, penulis menyarankan untuk dilakukan kalibrasi.
