1
PERANCANGAN SENSOR KELEMBABAN MENGGUNAKAN SERAT OPTIK DENGAN CLADDING GELATIN+CoCl2 Vidia Ayu Seta : Dr.Ir. Sekartedjo, M. Sc Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111, email :
[email protected]
Abstrak - Kelembaban merupakan salah satu variabel yang sangat berpengaruh terhadap berbagai proses yang terjadi di alam. Untuk menyelesaikan masalah kelembaban digunakan alat ukur kelembaban yaitu salah satunya higrometer, namun hygrometer mempunyai kelemahan mudah terinterferensi dengan gelombang elektromagnetik. Oleh sebab itu dibutuhkan alternatif lain untuk mengukur kelembaban ini yaitu sensor kelembaban menggunakan serat optik yang tidak terinterferensi dengan gelombang elektromagnetik, dan dapat digunakan pada jarak jauh. Pada penelitian ini telah berhasil dibuat sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 melalui proses sol-gel. Sensor kelembaban serat optik yang telah dibuat ada 3 jenis ukuran panjang cladding gelatin+CoCl2 yang dibuat berbeda-beda yaitu 2, 3, dan 4cm. Setelah dilakukan pengukuran sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 didapatkan sensor kelembaban yang paling sensitif dan baik terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm dengan respon terbaik pada rentang kelembaban 87%-93%RH dan dengan nilai korelasi sebesar 0,96. Hal ini dibuktikan bahwa pada panjang kupasan cladding 4 cm mempunyai nilai resolusi tinggi yaitu 0,19, nilai sensitivitas terbesar yaitu 5,17mv/%RH, nilai linearitas terbesar yaitu 0,96, nilai eror yang paling kecil yaitu 4,06%. Pada panjang kupasan cladding 4 cm lebih sensitif dikarenakan tebal lapisan gelatin+CoCl2 untuk panjang 4 cm lebih tipis yaitu 10µm dibandingkan dengan tebal lapisan untuk panjang 2 cm yaitu 30µm dan tebal lapisan untuk panjang 3 cm yaitu 20µm. Sensitivitas sensor juga dipengaruhi oleh ketebalan lapisan cladding gelatin+CoCl2. Jika lapisan semakin tipis, maka sensitivitas semakin baik. Kata kunci : RH (Humidity Relative), Linearitas, Sensitivitas. I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kelembaban adalah ukuran jumlah uap air di udara. Jumlah uap air mempengaruhi proses-proses fisika, kimia dan biologi di alam, oleh karena itu akan mempengaruhi kenyamanan manusia begitupun terhadap lingkungan. Jika besarnya kandungan uap air melebihi atau kurang dari kebutuhan yang diperlukan, maka akan menimbulkan gangguan dan kerusakan. Sebagai contoh, bahan makanan dan obat-obatan yang disimpan dalam gudang penyimpanan memerlukan kondisi kelembaban tertentu agar tidak cepat rusak[1]. Saat ini banyak alat ukur kelembaban yang telah dikembangkan. Peralatan elektronik juga menjadi mudah berkarat jika udara disekitarnya memiliki kelembaban yang cukup tinggi. Oleh karena itu, informasi mengenai
kelembaban udara pada suatu area tertentu menjadi sesuatu hal yang penting untuk diketahui karena menyangkut efek-efek yang ditimbulkannya. Informasi mengenai nilai kelembaban udara diperoleh dari proses pengukuran. Alat yang biasanya digunakan untuk mengukur kelembaban udara adalah higrometer. Seiring dengan perkembangan kebutuhan akan kecepatan, keakuratan, dan ketelitian hasil pengukuran yang lebih tinggi maka mutlak diperlukan pengembangan alat ukur baru. Sehubungan dengan hal itu, berbagai teknik dan material telah dikembangkan sebagai sensor kelembaban dengan kekurangan dan kelebihannya masing-masing. Kelemahan dari sensor yang telah ada dalam perkembangan dunia industri menuntut semakin dikembangkannya fiber optik sebagai salah satu sensor. Sehingga serat optik tidak hanya digunakan sebagai pandu gelombang optik untuk sistem komomunikasi, tetapi dapat juga dimanfaatkan untuk membuat sensor yang disebut dengan sensor serat optik[6]. Oleh karena itu pada penelitian ini akan dirancang dan dibuat sensor kelembaban menggunakan serat optik plastic dengan cladding gelatin+CoCl2. Probe dari sensor dibentuk lurus. Dengan membuat probe sensor lurus diharapkan hasil yang diperoleh akan lebih baik dari pada hasil-hasil penelitian sebelumnya B. Permasalahan Berdasarkan latar belakang perancangan sensitivitas sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin + CoCl2, maka dapat ditentukan permasalahan dalam tugas akhir ini yaitu : a. Bagaimana pembuatan rangkaian sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2? b. Bagaimana pengaruh panjang cladding gelatin+CoCl2 terhadap sensitivitas sensor kelembaban? c. Bagaimana mendapatkan sensor kelembaban yang paling baik diantara panjang cladding gelatin+CoCl2 yang dibuat berbeda (2, 3, dan 4cm)?. C. Tujuan Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini yaitu untuk membuat sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin + CoCl2, untuk mengetahui pengaruh panjang cladding gelatin + CoCl2 terhadap sensitivitas sensor kelembaban, dan untuk mendapatkan sensor kelembaban yang paling baik diantara panjang cladding gelatin+CoCl2 yang dibuat berbeda (2, 3, dan 4cm).
2 D. Batasan Masalah Adapun batasan masalah yang diberikan pada tugas akhir ini bertujuan untuk menghindari meluasnya permasalahan yaitu sebagai berikut : a. Kelembaban yang diukur adalah kelembaban relatif, yaitu perbandingan jumlah uap air di udara dengan jumlah uap air jenuh di udara tersebut pada temperatur yang sama. b. Sumber cahaya yang digunakan adalah LED superbright berwarna merah dengan panjang gelombang sekitar 632 nm. c. Fotodetektor yang digunakan adalah LDR. d. Serat optik plastik jenis single mode. e. Panjang cladding gelatin (2, 3, dan 4cm). II. DASAR TEORI A. Gelatin dan CoCl2 Gelatin berasal dari bahasa latin "gelare" yang berarti membuat beku (Glicksman 1969). Gelatin adalah salah satu bahan hidrogel dari polimer alami yang dapat mengalami pembengkakan (swelling), ketika menyerap air gelatin mampu menyerap air 5-10 kali bobotnya, membentuk gel pada suhu 35°C-400°C dan larut dalam air panas, serta dapat berubah secara reversible dari sol ke gel. Gelatin tidak berwarna (transparan), tidak berbahaya, tidak berasa. Molekul-molekul gelatin tersusun dari ribuan rantai asam amino. Rantai-rantai protein tersebut dihubungkan secara “cross-links”(interaksisilang), karenanya terdapat lubang (rongga) diantara rantai yang dapat menahan air[5]. Prinsipnya, bahan hidrogel gelatin mengalami pembengkakan ketika menyerap air sehingga kerapatannya berkurang yang mengakibatkan sifat optiknya juga berubah, yaitu nilai indeks bias optiknya berkurang terhadap jumlah air yang diserap. Polimer seperti gelatin membengkak karena air mengisi rongga-rongga pada polimer (diameter rongga membesar), akibatnya akan mengurangi indeks bias polimer, sehingga indeks bias polimer akan mendekati indeks bias air. Gelatin memiliki pori yang relative lebih besar dibandingkan polimer-polimer sintesis. Perubahan sifat optik (indeks bias) polimer gelatin ketika menyerap uap air dapat dimanfaatkan sebagai material sensor kelembaban optik. Perubahan nilai indeks bias gelatin ditentukan oleh jumlah uap air yang diserap. Seiring dengan pembengkakkan gelatin, kerapatan gelatin akan berkurang yang berakibat indeks biasnya mengecil. Perubahan indeks bias gelatin terhadap konsentrasi uap air yang diserap diberikan oleh persamaan berikut. (1)
(2) Dimana nps adalah indeks bias polimer saat swelling, npu indeks bias sebelum swelling, n H2O indeks bias air, dps diameter rongga saat swelling, dpu diamater rongga sebelum swelling, dan f H2O fraksi uap air yang diserap. Perubahan indeks bias pada cladding akibat swelling menyebabkan berubahnya sudut kritis pada pemantulan internal total di dalam inti serat optik (core), akibatnya sebagian energi cahaya terserap oleh cladding keluar dari inti serat secara eksponensial sebagai gelombang evanescent. Penyerapan
cahaya yang disebabkan oleh perubahan indeks bias cladding berpengaruh terhadap besarnya intensitas cahaya yang transmisikan, besarnya perubahan intensitas cahaya yang ditransmisikan secara tidak langsung akibat perubahan kelembaban. Besarnya energi cahaya yang terserap oleh cladding sebagai gelombang evanescent, dijadikan sebagai indikasi adanya perubahan kelembaban. Cobalt Chloride (CoCl2) merupakan senyawa kimia. Suatu senyawa kimia (sering hanya disebut sebagai senyawa) adalah zat kimia murni yang terdiri dari dua atau lebih unsur kimia yang berbeda. Dalam kasus Cobalt Chloride ada dua unsur kimia yang terlibat - Cobalt (Co) dan dikloro (Cl2). COCl2, merupakan senyawa menarik yang warna perubahan dalam menanggapi kelembaban. Seiring dengan peningkatan kelembaban, klorida perubahan warna kobalt dari langit biru ke ungu ke merah muda.. perubahan mencolok seperti warna membuat kobalt klorida berguna sebagai indikator kelembaban pada instrumen cuaca. B.
Kelembaban Kelembaban udara adalah jumlah uap air di udara (atmosfer). Kelembaban tinggi artinya ada banyak uap air di udara, dan kelembaban rendah berarti hanya sedikit uap air di udara. Kelembaban udara dapat dinyatakan sebagai kelembaban absolut dan kelembaban nisbi (relatif). Kelembaban absolut adalah kandungan uap air (dapat dinyatakan dengan massa uap air atau tekanannya) persatuan volume (kg/m3). Kelembaban nisbi (relatif) adalah perbandingan kandungan (tekanan) uap air aktual dengan keadaan jenuhnya (g/kg)[4]. Kelembaban relatif (Relative Humidity / RH) adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan jumlah uap air yang terkandung di dalam campuran air-udara dalam fasa gas. Kelembaban relatif dari suatu campuran udara-air didefinisikan sebagai rasio dari tekanan parsial uap air dalam campuran terhadap tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut. Kelembaban relatif menggunakan satuan persen dan dihitung dengan cara berikut : (3) RH = P (H2O) x100% P*(H2O) dimana : RH adalah kelembaban relatif campuran P (H2O) adalah tekanan parsial uap air dalam campuran dan P*( H2O) adalah tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut dalam campuran. C. Gelombang Evanescent Prinsip kerja sensor kelembaban menggunakan serat optik ini didasarkan pada fenomena absorpsi gelombang evanescent yang didasarkan pada serapan (atenuasi) gelombang optik pada cladding. Perubahan nilai indeks bias cladding gelatin akan menentukan besarnya intensitas cahaya yang terserap oleh cladding, sehingga juga menentukan intensitas gelombang optik yang ditransmisikan melalui inti serat optik
3
Gambar 2.1. Gelombang Evanescent (Akhiruddin Maddu dkk, 2006). Fenomena gelombang evanescent diperlihatkan pada Gambar 1. Pada saat cahaya menjalar pada serat optik, sebagian gelombang terserap ke dalam cladding dan energi gelombang tersebut menghilang secara eksponensial, gelombang evanescent diberikan oleh persamaan :
• • • • • • • •
LDR Multimeter Gelas kimia Termometer Serat optik plastik Alkohol Serbuk Gelatin Serbuk CoCl2
3.2 Langkah Pengerjaan Berdasarkan proses penelitian yang dilakukan terdapat tahapan pengerjaan secara rinci dapat dilihat pada gambar 3.1
(4) dimana z adalah jarak penjalaran gelombang cahaya, E0 adalah medan gelombang mula-mula dan dp disebut penetration depth yang dirumuskan sebagai :
(5) Penetration depth (dp) adalah kedalaman gelombang memasuki cladding dan n adalah rasio indeks cladding terhadap core, dimana n = (ncladd / ncore). Gelombang cahaya yang memasuki cladding sepanjang dp akan berkurang secara eksponensial. Dari persamaan di atas tampak bahwa kedalaman penetrasi gelombang evanescent bergantung pada nilai indeks bias cladding relatif terhadap indeks bias inti. Semakin dalam penetrasi gelombang evanescent semakin kecil intensitas cahaya yang terpandu (ditransmisikan) melalui serat optik[1]. Jika gelombang evanescent ini diserap oleh spesis-spesis penyerap di sekitar inti serat optik yang berinteraksi dengan medium sensing, maka akan menghasilkan fenomena pelemahan refleksi total (attenuated total reflection) sehingga daya keluaran serat optik akan menurun. Transmisi daya di dalam serat optik diberikan oleh hukum Beer-Lambert termodifikasi yang diberikan oleh P(l) = Po exp (-γl) (6) Dimana l adalah panjang bagian serat optik yang tidak ada cladding, Po adalah daya yang ditransmisikan melalui serat optik tanpa adanya sepsis penyerap, dan γ adalah koefisien absorpsi gelombang evanescent. Karena γ = f α, maka persamaan diatas dapat ditulis sebagai P(l) = Po exp (-fαl) (7) dimana f adalah fungsi daya yang ditransmisikan melalui cladding dan α adalah koefisien absorpsi bulk[1]. III. METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Adapun peralatan dan bahan-bahan yang dipergunakan dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :: • LED (Light Emiting Diode) • Power supply (adaptor) 5 volt dan 9 volt • Rangkaian Devider (Pembagi Tegangan) • Hygrometer • Magnetik stirer A.
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Terdapat beberapa tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini untuk pembuatan device (hardware) sistem monitoring kelembaban menggunakan serat optik plastik sebagai media transmisi dan sebagai sensor, secara rinci dapat dilihat pada diagram blok rancangan pembuatan sistem monitoring berikut ini :
4
A. Hasil pengukuran sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 untuk panjang 2 cm.
Gambar 3.2 Pembuatan Rangkaian Sensor Serat Optik Untuk Mengukur Kelembaban Berikut ini adalah langkah-langkah pembuatan sistem transmisi data menggunakan serat optik plastik : a. Rangkaian adaptor dengan tegangan output 5 volt dihubungkan ke dalam LED agar dapat menyalakan lampu LED superbright merah dengan range kerja tegangan 1,8 Volt – 2,1 Volt. b. LED dicoupling dengan serat optik plastik menuju ke dalam humidity chamber yang didalamnya terdapat sensor kelembaban menggunakan serat optik dan humidity sensor. Kemudian serat optik plastik dikopling lagi ke LDR. c. Tegangan keluaran dari LDR dimasukkan ke dalam rangkaian devider untuk selanjutnya ditampilkan oleh multimeter yang keluarannya berupa tegangan. Sesuai diagram blok diatas, semua komponen dirangkai seperti gambar 3.3 berikut ini :
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara RH (%) terhadap tegangan (miliVolt) pada panjang kupasan cladding 2 cm. Berdasarkan gambar 4.1 dapat dilihat bahwa sensor dengan panjang kupasan cladding 2 cm memiliki respon linear untuk kenaikan RH dengan tegangan dengan tingkat korelasi antara hasil nilai pengukuran dengan nilai sebenarnya sebesar 0,957. Pada gambar grafik 4.1 terlihat lingkaran warna hitam yang menunjukkan overshoot dan anak panah pada gambar menujukkan bahwa overshoot ini terjadi pada RH 72% dengan tegangan 453 mV sampai RH 73% dengan tegangan 480 mV. Perubahan tegangan yang terjadi antara 453 mV dan 480 mV sebesar 27 mV. Hal ini dikarenakan bahwa pada RH 72% sampai 73%, uap air dari heater mulai masuk ke dalam chamber sehingga pori-pori gelatin terisi uap air yang mengakibatkan gelatin mengalami swelling. Hal ini sesuai dengan karakteristik dari gelatin.
B. Hasil pengukuran sensor kelembaban menggunakan Gambar
3.3
Rangkaian Pengujian Kelembaban
Respon
Sensor
Setelah hardware disusun seperti pada gambar 3.3, kemudian dilakukan pengukuran sensor kelembaban menggunakan serat optik plastik dengan cladding gelatin + CoCl2 dengan panjang yang berbeda yaitu 2, 3, dan 4 cm. Berikut ini adalah langkah-langkahnya: 1. Serat optik plastik dengan cladding gelatin + CoCl2 untuk panjang 2 cm diletakkan di dalam chamber. 2. Nyalakan power supply dan ukur %RH awal kemudian %RH diturunkan mulai 70% sampai 65%, setelah itu dialiri uap air panas yang berasal dari heater melalui pipa ke chamber hingga RH 94%. 3. Tegangan keluaran (Voutput) dari LDR yang ditampilkan oleh multimeter dicatat dalam tabel. Ulangi langkah-langkah diatas untuk panjang cladding gelatin + CoCl2 yang lain. IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 untuk panjang 3 cm.
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara RH (%) terhadap tegangan (miliVolt) pada panjang kupasan cladding 3 cm.
5 Berdasarkan gambar 4.2 dapat dilihat bahwa sensor dengan panjang kupasan cladding 3 cm memiliki respon linear untuk kenaikan RH dengan tegangan dengan tingkat korelasi antara hasil nilai pengukuran dengan nilai sebenarnya sebesar 0,961. Pada gambar 4.2 terlihat lingkaran warna merah yang menunjukkan overshoot dan anak panah pada gambar menujukkan bahwa overshoot ini terjadi pada RH 72% dengan tegangan 398 mV sampai RH 73% dengan tegangan 409 mV. Perubahan tegangan yang terjadi antara 398 mV dan 409 mV sebesar 11 mV. Pada panjang kupasan cladding 3 cm, overshoot yang terjadi kecil yaitu sebesar 11 mV, jika dibandingkan dengan panjang kupasan cladding 2 cm dan 4 cm yang memiliki beda tegangan sebesar 27 mV. Hal ini dikarenakan tiap panjang kupasan cladding memiliki respon yang berbeda-beda juga.
D. Perbandingan
antara hasil pengukuran sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin + cocl2 untuk panjang 2, 3, dan 4 cm. Untuk mengetahui perbedaan tiap panjang cladding terhadap sensitivitas sensor kelembaban menggunakan serat optik, maka dibuat grafik hubungan antara RH (%) dengan tegangan (miliVolt). Tanda anak panah pada gambar 4.4 menunjukkan perbedaan range dan span dari tiap-tiap panjang cladding. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar grafik 4.4.
C. Hasil pengukuran sensor kelembaban menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 untuk panjang 4 cm
Grafik 4.4 Hasil perbandingan antara RH (%) terhadap tegangan (miliVolt) dengan cladding gelatin+CoCl2 untuk panjang 2, 3, dan 4 cm.
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara RH (%) terhadap tegangan (miliVolt) pada panjang kupasan cladding 4 cm. Berdasarkan gambar 4.3 dapat dilihat bahwa sensor dengan panjang kupasan cladding 4 cm memiliki respon linear untuk kenaikan RH dengan tegangan dengan tingkat korelasi antara hasil nilai pengukuran dengan nilai sebenarnya sebesar 0,968. Pada gambar 4.3 terlihat lingkaran warna hijau yang menunjukkan overshoot dan anak panah pada gambar menujukkan bahwa overshoot ini terjadi pada RH 72% dengan tegangan 342 mV sampai RH 73% dengan tegangan 369 mV. Perubahan tegangan yang terjadi antara 342 mV dan 369 mV sebesar 27 mV. Pada panjang kupasan cladding 4 cm, overshoot yang terjadi sama seperti pada panjang kupasan cladding 2 cm yaitu perubahan tegangan yang terjadi sebesar 27 mV. Tetapi hasil penunjukkan tegangan antara panjang kupasan cladding 2 cm dan 4 cm berbeda, yaitu pada RH 72%-73%, panjang kupasan cladding 2 cm menghasilkan tegangan 398 mV-409 mV sedangkan panjang kupasan cladding 4 cm menghasilkan tegangan 342 mV- 369 mV. Hal ini dikarenakan tiap panjang kupasan cladding memiliki respon yang berbeda-beda.
Berdasarkan gambar 4.4 dapat dilihat bahwa adanya perbedaan dari ketiga sampel panjang cladding gelatin+CoCl2 untuk 2, 3, dan 4cm. Pada panjang kupasan cladding 2 cm paling sensitif daripada panjang cladding 3cm dan 4 cm karena pada panjang kupasan cladding 2 cm, perubahan antara ∆x (perubahan kenaikan RH) dan ∆y (perubahan kenaikan tegangan) paling besar jika dibandingkan dengan panjang kupasan cladding yang lainnya. Namun linearitas yang paling baik terdapat pada panjang kupasan cladding 3 cm dengan nilai korelasi 0,961, Jika niai korelasi mendekati nilai 1 maka sensor tersebut dapat bekerja dengan sangat baik dan range untuk panjang kupasan cladding 3 cm paling besar, yaitu 80%93% dengan span sebesar 13 %.
E. Perhitungan Karakteristik Sensor Kelembaban Karakteristik dalam suatu sensor pengukuran sangat penting untuk ditampilkan yaitu untuk mengetahui performansi atau kinerja dari sensor tersebut. Berikut ini adalah perhitungan karakteristik sensor kelembaban menggunakan serat optik plastik sebagai media transmisi data : a. Range Range menunjukkan daerah kerja elemen sistem pengukuran. Range/Jangkauan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu range input dan range output. Range input merupakan daerah antara Input Minimum hingga Input Maksimum, sedangakn Range Output merupakan daerah antara Output Minimum hingga Output Maksimum.
6 Berikut ini tabel range untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.1 Range tiap-tiap panjang kupasan cladding Panjang Kupasan Range Range Cladding (input) (output) 2 cm 88-93% 531-568 mV 3 cm 80-93% 420-457 mV 4 cm 87-90% 419-467 mV Jadi range sensor yang paling lebar yaitu pada panjang kupasan cladding 3 cm.
e. Linearitas Linearitas merupakan hubungan yang menyatakan sifat kelinearitasan dari input dan output. Berikut ini tabel linearitas untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.5 Linearitas tiap-tiap panjang kupasan cladding Panjang Kupasan Linearitas Cladding 2 cm 0,95 3 cm 0,96 4 cm 0,96
.
b. Span Span merupakan selisih nilai dari daerah antara input minimum hingga input maksimum atau output minimum hingga output maksimum dan dapat diketahui dari nilai Imax – I min atau Omax – Omin. Berikut ini tabel span untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.2 Span tiap-tiap panjang kupasan cladding Panjang Kupasan Span Span Cladding (input) (output) 2 cm 5% 37 mV 3 cm 13% 37 mV 4 cm 3% 48 mV Jadi span sensor yang paling besar yaitu pada panjang kupasan cladding 3 cm dengan RH 13%. c. Resolusi Resolusi merupakan perubahan terkecil pada Input, tanpa memperhatikan perubahan pada Output. Resolusi =
x 100%
Berikut ini tabel resolusi untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.3 Resolusi tiap-tiap panjang kupasan cladding. Panjang Kupasan Resolusi Cladding 2 cm 0,21 3 cm 0,32 4 cm 0,19 d. Sensitivitas Sensitivitas merupakan laju perubahan O dengan bergantung terhadap I dan dapat dituliskan dalam bentuk berikut ini : m = dO/dI Berikut ini tabel resolusi untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.4 Sensitivitas tiap-tiap panjang kupasan cladding Panjang Kupasan Sensitivitas Cladding (mV/RH) 2 cm 4,61 3 cm 3,04 4 cm 5,16
f. Eror Eror adalah perbedaan nilai hasil pengukuran dengan nilai hasil sebenarnya. Berikut ini tabel eror untuk tiap-tiap panjang kupasan cladding : Tabel 4.6 Eror tiap-tiap panjang kupasan cladding Panjang Kupasan Eror Cladding (%) 2 cm 4,77 3 cm 4,57 4 cm 4,06
F.
Pembahasan Sensor kelembaban menggunakan serat optik plastik pada cladding berbahan gelatin+CoCl2 ini sangat sensitif terhadap perubahan kelembaban udara. Bahan gelatin dan CoCl2 ini mempunyai persamaan sifat yaitu higroskopi (sifat bahan yang mampu menyerap air). Ketika jumlah uap air didalam chamber meningkat maka kelembaban udara juga akan meningkat. Jika semakin banyak uap air yang diserap oleh lapisan gelatin+ CoCl2, maka kerapatan lapisan tersebut akan semakin berkurang atau merenggang yang menyebabkan indeks bias lapisan gelatin+CoCl2 semakin besar. Sehingga loss pada sensor kelembaban yang menggunakan serat optik semakin besar yang berakibat intensitas yang dihasilkan semakin kecil. Jadi hambatan di LDR semakin besar dan tegangan yang dihasilkan juga semakin besar. Berdasarkan teori tersebut, jika dibandingkan dengan hasil pengukuran sensor kelembaban yang menggunakan serat optik ini sangat cocok. Hal ini dibuktikan dengan persamaan berikut ini :
Dari persamaan diatas dapat dianalisis, jika loss (dp) semakin besar maka ncladding juga semakin besar. Berdasarkan grafik 4.4 dapat dilihat bahwa dari ketiga kurva tersebut mengalami kenaikan kurva tidak begitu linear untuk tiap kenaikan %RH dan kenaikan tegangan, selain itu dari ketiga kurva tersebut terjadi overshoot pada 72%-73%RH. Hal ini dikarenakan bahwa pada 72%-73%RH, uap air dari heater mulai masuk ke dalam chamber sehingga pori-pori gelatin terisi uap air yang mengakibatkan gelatin mengalami swelling. Hal ini sesuai dengan karakteristik dari gelatin. Untuk tiap panjang kupasan cladding dengan rentang pengukuran 65%94%RH memiliki rentang daerah sensitif berbeda-beda. Hal ini dapat dilihat pada tabel 4.5.1 yang menunjukkan bahwa untuk panjang kupasan cladding 3 cm memiliki daerah rentang sensitivitas yang paling lebar yaitu 80%-93% dengan nilai
7 korelasi sebesar 0,96. Jika dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, dengan judul “Pengembangan Probe Sensor Kelembaban Serat Optik Dengan Cladding Gelatin” dengan range 42%-99%RH memiliki respon terbaik pada range 60%72%RH dengan nilai korelasi sebesar 0,83. Hal ini berarti, sensor kelembaban yang menggunakan serat optik dengan cladding gelatin+CoCl2 lebih baik daripada sensor kelembaban dengan cladding gelatin. Sehingga cladding yang ditambahi dengan bahan CoCl2 dapat meningkatkan sensitivitas untuk sensor kelembaban. Sensor kelembaban yang paling sensitif dan bagus terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm. Hal ini dibuktikan pada tabel 4.5.3 menunjukkan bahwa nilai resolusi yang paling kecil terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm yaitu 0,19 RH. Tabel 4.5.4 menunjukkan bahwa nilai sensitivitas yang paling besar terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm yaitu 5,16mv/%RH. Tabel 4.5.5 menunjukkan bahwa nilai linearitas yang paling besar terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm yaitu 0,96. Pada tabel 4.5.6 menunjukkan bahwa nilai eror yang paling kecil terdapat pada panjang kupasan cladding 4 cm yaitu 4,06%. Pada panjang kupasan cladding 4 cm lebih sensitif dikarenakan tebal lapisan gelatin+CoCl2 untuk panjang 4 cm lebih tipis yaitu 10µm dibandingkan dengan tebal lapisan untuk panjang 2 cm yaitu 30µm dan tebal lapisan untuk panjang 3 cm yaitu 20µm. Sensitivitas sensor juga dipengaruhi oleh ketebalan lapisan cladding gelatin+CoCl2. Jika lapisan semakin tipis, maka sensitivitas semakin baik. V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diamati hubungan antara RH dengan tegangan keluaran detektor, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : • Lapisan cladding gelatin+CoCl2 dapat diaplikasikan sebagai elemen sensor kelembaban, karena sifat optik gelatin+CoCl2 yang sensitif terhadap uap air disamping dapat merespon perubahan kelembaban udara dari 65%-94%RH. • Semakin panjang cladding gelatin+CoCl2, maka semakin besar loss yang ditimbulkan, namun jika tebal lapisan semakin tipis, maka sensitivitas sensor kelembaban semakin tinggi. • Dari ketiga jenis ukuran panjang cladding gelatin+CoCl2 (2, 3, dan 4 cm) didapatkan bahwa pada panjang cladding 4 cm merupakan sensor yang paling baik daripada panjang cladding 2cm dan 4cm dengan respon terbaik pada rentang kelembaban 87%- 93%RH, dengan nilai korelasi sebesar 0,96. A.
B. Saran Saran yang bisa disampaikan untuk mengembangkan penelitian ini adalah : • Dilakukan perancangan sensor kelembaban menggunakan serat optik plastik pada cladding gelatin + CoCl2 dengan jumlah sampel ukuran panjang cladding yang lebih banyak, agar didapatkan hasil yang lebih baik
VI. DAFTAR PUSTAKA [[1] Akhiruddin Maddu dkk, 2006. Pengembangan Probe Sensor Kelembaban Serat Optik Dengan Cladding Gelatin, 45-50. [2] Anu Vijayan et al, 2008. Optical Fiber Based Humidity Sensor Using Co-Polyaniline Clad. University Of Pune : India. [3] B. D. Gupta et al, 2001. A Novel Probe For A Fiber Optic Humidity Sensor. Indian Institute Of Technology Delhi : India. [4] Bentley, John P, 1995. Principles Of Measurement Systems 3rd edition. Prentice Hall : USA. [5] CoCl2. www.wikipedia.org, 2 juni 2011 [6] Dimas Yoga M, 2011. Rancang Bangun Sistem Transmisi Data Menggunakan Serat Optik Plastik Untuk Pengukuran Suhu. ITS : Surabaya. [7] Francisco J. Arregui et al, 2003. An Experimental Study About Hydrogels For The Fabrication Of Optical Fiber Humidity Sensors. Spain. [8] Gelatin. www.wikipedia.org, 6 Juni 2011 [9] Higrometer. www.wikipedia.org, 18 februari 2011 [10] Kelembaban Relatif. www.wikipedia.org, 10 April 2010 [11] Keiser, Gerd, 1991. Optical Fiber Communication. McGraw-Hill Book : Singapore. [12] LED. www.wikipedia.org, Februari 2011 [13] LDR. www.wikipedia.org, 20 Oktober 2010 [14] M. Chaplin, 2003. Gelatin. www.wikipedia.org. [15] Sunil K. Khijwania et al, 2005. An Evanescent Wave Optical Fiber Relative Humidity Sensor With Enhanced Sensitivity. Mississippi State University : USA. [16] Shinzo Muto, 2003. A Plastic Optical Fiber Sensor For Real-Time Humidity Monitoring. University Of Yamanashi : Japan. [17] T. L. Yeo et al, 2008. Fiber Optic Sensor Technologies For Humidity And Moisture Measurement. City University : London [18] Widyana, 2010. Perancangan Sensor Serat Optik untuk Pengukuran Pergeseran Obyek dalam Orde Mikrometer Menggunakan Serat Optik Multimode. ITS : Surabaya. Biodata Penulis: Nama : Vidia Ayu Seta NRP : 2407 100 036 TTL : Nganjuk, 12 Juli 1989 Alamat : Jl. Keputih Perintis 1A No 4 Surabaya Riwayat Pendidikan: SDN Ganung Kidul I Nganjuk (1996-2001) SMP Negeri 1 Nganjuk (2001-2004) SMA Negeri 2 Nganjuk (2004-2007) Jurusan Teknik Fisika ITS (2007-2011)
8
