PENENTUAN SPECIFIC GRAVITY PADA MINYAK RINGAN MENGGUNAKAN METODE TOTAL INTERNAL REFLECTION Gerry Sasanti Nirmala STEM “Akamigas”, Jl. Gajah Mada No. 38, Cepu E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Spesific gravity yang merupakan ukuran konsentrasi suatu fluida adalah salah satu acuan jenis-jenis minyak bumi. Penentuan spesific gravity umumnya dilakukan di laboratorium dengan hidrometer. Total Internal Reflection (TIR) merupakan prinsip panduan cahaya dalam serat optik dimana cahaya akan memantul sempurna pada bidang dengan indeks bias dan sudut tertentu. Perubahan indeks bias antara udara akan dibandingkan dengan crude oil sehingga dapat dibedakan apakah crude oil termasuk minyak ringan atau berat. Sumber cahaya yang digunakan berupa laser dan sensor berupa prisma dari bahan aclyric yang tahan panas dan dapat memantulkan cahaya dengan baik. Pada penelitian ini akan dibuktikan bahwa metode TIR dapat digunakan sebagai metode untuk menentukan Spesific Gravity khususnya penentuan pada minyak ringan. Kata kunci: spesific gravity, total internal reflection.
ABSTRACT Specific gravity is one of oil properties commonly used as a reference in oil industry. Specific gravity is usually determined in a laboratory by means of a hydrometer. Total Internal Reflection (TIR) is a light guidance principle on fiber optic where the light will perfectly be reflected on a surface with spesific refractive index and on a specific angle. Changes in refractive index between air will be compared with the crude oil so that it can be differentiated whether the crude oil is light or heavy oils. Lasers is used as light source and aclyric prism as a sensor which is a good heat-resistant material and can reflect light very well. In this research it will be proved that the TIR method can be used as a method of the Specific Gravity determination. Key words: spesific gravity, total internal reflection.
1.
ada dalam suatu larutan. Umumnya pengukuran dilakukan dengan pycnometer atau hydrometer. Pada penelitian ini, akan digunakan satu metode lain untuk menentukan spesific gravity yaitu Total Internal Reflection (TIR). Total Internal Reflection adalah suatu prinsip panduan cahaya dimana cahaya yang melewati suatu medium dengan indeks bias lebih besar dari indeks bias sebelumnya dan mempunyai sudut datang tertentu, akan terpantul sempurna2,3,4,5). Hal ini sesuai dengan Hukum Snellius yang menyatakan bahwa apabila cahaya datang pada bidang pertemuan dua medium yang berbeda, sebagian
PENDAHULUAN
Specific gravity (SG) merupakan salah satu sifat fluida yang menunjukkan rasio densitas suatu materi terhadap satu densitas yang dijadikan sebagai acuan, umumnya air yang dijadikan sebagai acuan bila fluida yang diukur berupa cairan dan udara bila fluida yang diukur berupa gas. Pengukuran-nya sendiri harus dilakukan pada tekanan dan temperatur yang sama antara sample dengan acuannya1). Dalam dunia migas, specific gravity secara umum digunakan sebagai ukuran konsentrasi dari kandungan hidrocarbon yang
65
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hlm. 65-71
cahaya akan di pantulkan kembali ke medium pertama, dan sisanya akan dibelokkan pada saat memasuki medium kedua, pembelokan cahaya pada saat memasuki medium kedua ini dinamakan pembiasan cahaya yang disebabkan oleh adanya perbedaan indeks bias medium pertama dan medium kedua. Indeks bias adalah suatu besaran yang menunjukkan kecepatan ram-bat cahaya pada saat melewati material ter-tentu dimana besarnya indeks bias adalah: n=
warna pada pelangi). Sifat prisma yang memantulkan dan membiaskan cahaya inilah yang diaplikasikan sebagai sensor pengukur specific gravity. Prinsip kerja alat ukur ini adalah ketika prisma tercelup dalam fluida maka akan terjadi perubahan indeks bias eksternal yaitu dari indeks bias udara ke indeks bias fluida. Perubahan ini tentu saja berpengaruh pada sifat pemantulan dan pembiasan cahaya yang jatuh pada pada prisma. Perubahan intensitas cahaya akibat pemantulan dan pembiasan medium yang berbeda inilah yang ditangkap detector untuk kemudian dikonversikan dalam ukuran specific gravity. Sudut yang dipakai dalam eksperimen ini adalah sudut 45o-90o-45o dimana menurut penelitian yang dilakukan penulis pada Tugas Akhir, adalah sudut terbaik untuk terjadinya TIR6). Eksperimen ini bertujuan untuk membuktikan apakah metode ini dapat digunakan untuk menghitung nilai SG dengan membandingkan data keluaran dengan data SG sebenarnya dari masing-masing sample. Eksperimen telah dilaksanakan di Laboratorium Fotonika pada bulan Agustus s/d September 2012 dengan menggunakan sample crude oil yang diperoleh dari 4 lokasi sumur yang berbeda yaitu daerah Sukowati (Join Operation Body Pertamina-Petrochina Tuban), Kawengan (Pertamina EP Cepu), Mudi (Join Operation Body Pertamina – Petrochina Tuban) dan Raja (UBEB Adera). Data lapangan yaitu berupa nilai SG dan derajat API dari laboratorium masing-masing lokasi adalah sebagai berikut :
c ................................................(1) v
Sedangkan hukum Snellius digambarkan sebagai berikut :
Gambar 1. Persamaan Hukum Snellius tentang Arah Rambat Cahaya. Ada 2 syarat utama dari total internal reflection yaitu: 1. indeks bias medium asal cahaya lebih besar dari medium kedua (n1 > n2). 2. sudut datang cahaya lebih besar dari sudut kritisnya. Sudut kritis (critical angle) diturunkan dari hukum Snellius dengan sudut bias 90o, sehingga didapat:
Tabel 1. Data Lapangan Nilai SG dan Derajat API Sample Crude Oil. Data lapangan
sin Φc =
n2 .....................................(2) n1
Prinsip panduan cahaya ini adalah prinsip dari dikembangkannya sensor-sensor fiber optik. Dalam optika, prisma adalah komponen yang digunakan untuk membiaskan cahaya, memantulkan atau mendispersikannya dalam spektrum cahaya (misalnya
SG
API
Jenis Minyak
Raja (Adera1)
0,8757
30,08
Ringan
Kawengan
0,8652
32
Ringan
Mudi
0,8448
35 - 37
Ringan
Sukowati
0,8299
38 - 40
Ringan
Pada tabel 1 di atas telah diberikan data nilai SG dan derajat API beserta analisa jenis minyaknya. Tren nilai derajat API menun-
66
Nirmala, Penentuan Specific Gravity Pada...
jukkan naik saat nilai SG menunjukkan penurunan, hal ini sesuai dengan persamaan :
2.
METODE
A. Perancangan Eksperimen Setelah melakukan serangkaian studi literatur yang terkait dengan konsep SG, API Gravity dan metode TIR, maka dilakukan perancangan alat ukur. Metode TIR dalam penelitian ini menggunakan sensor prisma sebagai pemantul cahaya. Metode ini memanfaatkan perubahan intensitas cahaya keluaran prisma yang diakibatkan oleh perubahan indeks bias larutan di dalam tempat larutan. Konstruksi metode ini dapat dilihat pada gambar 3.
................(3) Dari hasil laboratorium tersebut dapat disimpulkan bahwa jenis minyak adalah minyak ringan, hal ini sesuai dengan teori bahwa jenis minyak ringan berada pada range derajat API di atas nilai 317). Nilai SG untuk lapangan Mudi dan Sukowati diberi tanda bintang, menunjukkan bahwa nilai tersebut didapatkan dari hasil perhitungan peneliti dengan derajat API 36 untuk lapangan Mudi dan 39 untuk lapangan Sukowati. Hal ini dilakukan sebab pada kedua lapangan tersebut tidak dilakukan perhitungan nilai SG di laboratorium. Data beberapa nilai SG ditampilkan dalam grafik sebagai berikut:
Gambar 3. Rangkaian Eksperimen Penelitian. Pada gambar di atas tampak bahwa ada 8 buah peralatan yang dipakai. Peralatan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah sesuai gambar 3 : 1. Sumber cahaya Sumber cahaya yang digunakan adalah Laser Helium-Neon dengan kode OSK D4001, OSK 5580. 2. Beam Expander Beam expander digunakan untuk memperlebar berkas cahaya yang datang sehingga dapat mencakup seluruh bidang penerima prisma. 3. Cermin Cermin digunakan sebagai pemantul cahaya dari Laser agar masuk tegak lurus ke dalam prisma. 4. Prisma Prisma yang digunakan dalam penelitian ini dipilih dari bahan aklirik dengan indeks bias 1,49 dan ketebalan 10mm. Sudut prisma yang digunakan adalah 45o-90o-45o agar terjadi pemantulan dalam sempurna saat ling-
Gambar 2. Grafik SG dari Sample. Pada grafik di atas tampak bahwa ada penurunan nilai SG dari sample dengan prosentase penurunan berturut-turut 1,20 %; 3,09%; 5,97% (penurunan SG dihitung dari sample Raja). Bila ditarik persamaan garis keempat sample tersebut akan didapatkan persamaan garis : y = 0,0158x + 0,8145.........................(4) Prosentase penurunan SG dan persamaan garis inilah yang akan digunakan sebagai dasar pembanding tegangan keluaran sample. Menurut persamaan tersebut maka semestinya akan terjadi penurunan tegangan keluaran dari sumber cahaya yang masuk dalam rangkaian.
67
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hlm. 65-71
kungan dibawahnya berupa udara. Bidang di depan sudut 90o nantinya akan digunakan sebagai bidang pertama dan bidang keempat dengan membagi panjang menjadi 2 sama besar. Pemilihan aklirik sebagai bahan dasar prisma dengan pertimbangan: transmisinya tinggi yaitu hingga 92%, absorbsi cahaya sebesar 0,5% per 25mm tebal lembaran, tahan panas, tahan asam dengan konsentrasi tertentu, tahan alkali dan gas8).
kan agar photodetektor dapat ditempatkan dekat dengan lensa. 7. Photodetektor Photodetetektor yang digunakan adalah photodioda yang merupakan salah satu tipe dari photodetektor yang mempunyai sensitifitas tinggi, rentang panjang gelombang yang lebar, dan sirkuit penerima yang sederhana, dimana detektor cahaya tersusun dari photodioda yang dibias balik. Photodiode terdiri dari sambungan p-n yang dirancang untuk menjadi responsif terhadap masukan optis. Photodioda dilengkapi dengan suatu jendela maupun koneksi serat optik, untuk memandu masuk cahaya kepada bagian sensitif dari alat.
Tabel 2. Transmitansi Cahaya dari Berbagai Bahan. Materi
Cahaya yang diteruskan (%)
Acryglas
93
Polystyrene
90
Hard polyvinyl chloride
9V
80 – 88
Glass
Acryglas
3,8 %
Kaca
4,2 %
Air
2%
Berlian
17,2 %
Udara
-
R=100kΩ i
+
Gambar 4. Rangkaian Sirkuit Penerima Detektor Cahaya.
Tabel 3. Daya Refleksi dari macammacam Bahan Transparan. Daya Refleksi (i = 0o)
-
photon
90
Materi
+
8.
Tempat Larutan Tempat larutan yang digunakan berupa kotak transparan berbahan dasar plastik. Selain peralatan di atas digunakan pula Meja Eksperimen yang terbuat dari baja dan anti terhadap getaran lingkungan sekitarnya. Hal ini berfungsi agar setting eksperimen tidak mengalami perubahan, sehingga data hasil pengukuran memiliki keakuratan yang tinggi. Meja yang dipakai adalah produk Newport Stabilizer™ “High Performance Laminar Flow Isolator” I-2000 Series. Selain meja eksperimen dipakai pula multimeter digital. Eksperimen ini dilaksanakan di Laboratorium Fotonik Jurusan Teknik Fisika ITS Surabaya.
5.
Bahan Pada penelitian ini bahan yang digunakan sebagai larutan yang diukur adalah crude oil dari beberapa sumur minyak. 6. Lensa Pemfokus Lensa pemfokus berfungsi untuk memfokuskan berkas laser supaya dapat masuk ke dalam photodetektor. Sinar-sinar yang datang sejajar dengan sumbu lensa. Cahaya yang datang terdiri atas banyak sinar. Semua sinar terkumpul pada titik dibawah yang dinamakan sebagai titik fokus. Pada percobaan ini digunakan lensa cembung berfokus 5mm. Pemilihan jarak fokus ini dimaksud-
B. Pengambilan Data Langkah pertama adalah menguji ketepatan arah cahaya yang masuk ke prisma, yang terpantul dari prisma dan yang masuk ke dalam photodetektor. Setting peralatan harus diatur sedemikian rupa agar cahaya dapat sampai di photodetektor. Setelah set-
68
Nirmala, Penentuan Specific Gravity Pada...
ting peralatan tepat, diambil data pertama yaitu cahaya laser melalui rangkaian tanpa ada sample dalam wadah. Gunanya adalah untuk mengetahui tegangan keluaran bila terjadi pemantulan dalam sempurna. Langkah kedua dilakukan dengan menuangkan crude oil ke dalam wadah hingga prisma tercelup, menyalakan laser dan melihat tegangan keluaran yang ditangkap photodetektor. Percobaan dilakukan beberapa kali dengan sample crude oil berbeda-beda.
Setelah melakukan beberapa kali percobaan, didapatkan nilai tegangan keluaran yang nilainya kurang lebih sama untuk masing-masing sample sehingga dimasukkan tiga data sebagai bahan analisa. Tegangan keluaran pada tabel di atas menghasilkan grafik sebagai berikut:
C. Analisa Data Tegangan keluaran prisma dari masingmasing sample akan dibandingkan untuk membuat range specific gravity untuk minyak ringan. 3.
Gambar 5. Grafik Tegangan Keluaran Pertama masing-masing Sample.
PEMBAHASAN
Sebelum melakukan pengukuran lebih dulu diambil daya keluaran laser yang tertangkap photodetektor. Daya keluaran dikonversikan dalam satuan tegangan pada multimeter dan didapatkan nilai sebesar 10 mVolt tanpa melalui rangkaian dan sebesar 9,7 mVolt setelah melalui rangkaian eksperimen. Perbedaan nilai keluaran ini dimungkinkan karena adanya penurunan daya setelah melalui rangkaian, bisa juga disebabkan kurang sempurnanya rangkaian. Berikut adalah data eksperimen dengan beberapa sample. Data tiap sample diambil dengan prisma dan photodetektor yang berbeda namun dari jenis yang sama untuk meng-hindari adanya pencampuran beberapa sample.
Gambar 6. Grafik Tegangan Keluaran Kedua masing-masing Sample.
Tabel 4. Data Eksperimen Sample.
V in V out V out Sample (mVolt) Jenis Laser Laser Raja pengukuran (mVolt) (mVolt) (Adera) Kawengan Mudi Sukowati Laser He Ne 10
Hidrometer
9,7
5,67
3,55
5,21
4,36
5,59
3,57
5,15
4,3
5,58
3,57
5,14
4,25
Gambar 7. Grafik Tegangan Keluaran Ketiga masing-masing Sample. Pada gambar tampak bahwa terjadi penurunan tegangan keluaran yang mana hal ini sesuai dengan hipotesa awal, berikut tabel prosentase penurunan tegangan keluaran sample.
0,8757 0,8652 0,8448 0,8299
69
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hlm. 65-71
Tabel 5. Perbandingan Prosentase Penurunan SG dengan Prosentase Penurunan Tegangan Keluaran pada Photodetektor. V out Sample (mVolt) Jenis pengukuran Raja (Adera) Kawengan
Mudi
Sukowati
5,67
3,55
5,21
4,36
5,59
3,57
5,15
4,3
5,58
3,57
5,14
4,25
0,8757
0,8652
0,8448
0,8299
Laser He Ne
Hidrometer
prosentase penurunan SG prosentase penurunan tegangan data1 prosentase penurunan tegangan data2 prosentase penurunan tegangan data3
1,20% 37,39% 36,14% 36,02%
Gambar 9. Tegangan Keluaran tanpa Sample Kawengan 2.
3,09% 5,97% 8,11% 23,10% 7,87% 23,08% 7,88% 23,84%
Dari tabel di atas, tampak bahwa prosentase penurunan tegangan dari Kawengan menunjukkan penurunan yang sangat besar yaitu rata-rata sebesar 36,52 %. Nilai sensitivitas dari pengukuran juga sangat kecil sehingga diasumsikan terdapat error yang sangat besar pada sample tersebut. Terjadinya error tersebut bisa disebabkan oleh adanya cacat saat pembuatan prisma, pemotongan yang kurang sempurna atau kemungkinan prisma dibuat dari lempeng aclyric yang berbeda dengan yang lain. Berkurangnya daya baterai dari photo detektor akibat pemakaian yang lama juga memungkinkan adanya error ini. Maka dengan mengabaikan data sample dari Kawengan, akan didapatkan grafik sebagai berikut:
Gambar 10. Tegangan Keluaran tanpa Sample Kawengan 3. Dari 3 gambar di atas, tampak bahwa sensitivitas pengukuran naik dari data sebelumnya. Sensitivitas pengukuran pertama sebesar 97,17%, yang kedua sebesar 96,74%, yang ketiga sebesar 96,32%. Penurunan nilai sensitivitas disebabkan berkurangnya daya baterai dari photodetektor akibat pemakaian yang lama. Nilai SG terhadap rata-rata tegangan keluaran untuk masing-masing sample adalah sebagai berikut:
Gambar 11. Grafik SG terhadap Tegangan Keluaran rata-rata setiap Sample.
Gambar 8. Tegangan Keluaran tanpa Sample Kawengan 1.
70
Nirmala, Penentuan Specific Gravity Pada...
Dari gambar 11 di atas, dapat dihasilkan korelasi antara nilai SG dengan rata-rata tegangan keluaran yaitu:
3. John P. Bentley. Principles of Measurement Systems. 3rd edition. Longman Singapore Publisher (Pte) Ltd. Singapore. 1995. 4. Francis T.S. Yu, Iam-Choon Khoo. Principles Of Optical Engineering. John Wiley & Sons. 5. Gerd Keyser. Optical Fiber Communications. 2nd edition. McGraw-Hill ,Inc. 6. Gerry Sasanti Nirmala. Perancangan Alat Ukur Ketinggian Level Fluida Menggunakan Metode Total Internal Reflection [Tugas Akhir]. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 2005 7. Boyun Guo, William C Lyons, Ali Ghalambor. Petroleum Production Engineering. Oxford : Elsevier.2007. 8. Autochem Industry. PT. CAST ACRYGLASS SHEET. Data teknis mengenai Acryglass. Jakarta.
y = 0,0229x + 0,8043 ........................(5) Dengan y menggambarkan nilai SG dan x adalah tegangan keluaran dari alat ukur. Namun tetap terdapat error pada eksperimen yaitu sebesar 6,13% untuk sample Raja, 8,43% untuk sample Mudi dan 8,07% untuk sample dari Sukowati. 4.
SIMPULAN
Metode Total Internal Reflection dengan sensor berupa prisma dapat digunakan sebagai metode untuk menghitung nilai SG dengan korelasi SG = 0,0229 (V out) + 0,8043. Percobaan menggunakan sample minyak berjenis ringan dari beberapa lokasi dan didapatkan tegangan keluaran 4,25 mV sampai 5,67 mV untuk tegangan masukan sebesar 10 mV. Terdapat error yang besar pada salah satu sample percobaan yaitu crude oil dari Kawengan yang dimungkinkan terjadi akibat cacat pada sensor atau photodetektor sehingga sample dari lokasi ini tidak bisa dijadikan sebagai acuan dalam perhitungan dan tidak digunakan. Error yang terjadi dalam eksperimen ini yaitu berkisar dari 6,13% - 8,43%. Eksperimen lebih lanjut dilakukannya pengujian dengan data kontinyu atau harian sehingga bisa benar-benar dibandingkan tegangan keluaran dari eksperimen ini dengan data SG harian yang diambil melalui hidrometer di laboratorium. Selain itu hasil eksperimen akan lebih bervariasi bila digunakan sample yang lebih beragam jenis crude oil nya, yaitu dari jenis minyak ringan, minyak menengah dan minyak berat. 5.
DAFTAR PUSTAKA
1. Robert L Mott. Applied Fluid Mechanics. 5th edition. New Jersey: Prentice Hall. 2000. 2. Eugene Hecht, Alfred Zajac. Optics. Addison-Wesley Publishing Company. 1979
71
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 2, Nopember 2013, hlm. 65-71
72
