PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM PENGUKURAN KELEMBABAN UDARA MENGGUNAKAN POF (Polymer Optical Fiber)

Seminar Nasional Fisika 2011 ISSN 2088-4176 Pusat Penelitian Fisika-LIPI Serpong, 12-13 Juli 2011 _______________________________________________________________________________________

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM PENGUKURAN KELEMBABAN UDARA MENGGUNAKAN POF (Polymer Optical Fiber) Mochamad Adi wardana1, Melania S Muntini1, Agus Muhamad Hatta2 1) 2)

Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 60111 Jurusan Teknik Fisika, FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 60111 email : [email protected]

ABSTRAK Pengukuran kelembaban merupakan faktor yang penting untuk pengkondisian udara, khususnya di bidang industri, pertanian dan kesehatan. Oleh sebab itu pengembangan sensor kelembaban masih akan terus dilakukan. Pada penelitian ini telah dilakukan perancangan dan pembuatan sistem pengukuran kelembaban udara menggunakan POF (polymer optical fiber). Sensor kelembaban yang dirancang menggunakan POF berdiameter 1000 μm dan diameter inti 980 μm. Konfigurasi sensor serat optik yang dirancang berbentuk letter “U” dengan jari-jari bending 3,5 cm. Selanjutnya, cladding dari serat optik dikupas sepanjang 3 cm dan cladding diganti dengan bahan sol gel untuk melapisi inti serat optik. Prinsip perubahan struktur bahan sol gel adalah apabila terkena partikel-partikel air yaitu terjadi proses pembengkakan (swelling) pada permukaannya, maka akan ada perubahan indeks bias bahan. Perubahan nilai indeks bias cladding sol gel akan menentukan besarnya intensitas gelombang evanescent yang terserap sehingga intensitas gelombang optik yang terpandu atau ditransmisikan melalui inti serat optik akan berkurang. Respon sensor serat optik yang dirancang diuji dengan melakukan pengukuran intensitas cahaya dengan fototransistor tipe IF-D92 dan rangkaian penguat selisih tegangan. Sumber cahaya yang digunakan adalah sinar LED infrared tipe IF-E91. Fungsi transfer sistem pengukuran kelembaban dinyatakan sebagai V=0,0139 x +1,647 volt dengan V dan x berturut-turut adalah tegangan dan kelembaban. Sensitivitas sistem pengukuran adalah 0,0139 volt/%RH, dan jangkauan pengukuran antara 47,58 - 89,70 %RH. Kata Kunci : evanescent, indeks bias, kelembaban, sensor, serat optik ABSTRACT Measurement of humidity is an important factor for air conditioning, particularly in industry, agriculture and health. Therefore the development of humidity sensors will continue to be done. This research has been done on the design and manufacture of air humidity measurement systems using POF (polymer optical fiber). Humidity sensors are designed using the POF diameter 1000 μm and 980 μm core diameter. Configuration of optical fiber sensors are designed in the form letter "U" with a bending radius of 3.5 cm. Furthermore, the cladding of the fiber optic peeled 3 cm long and cladding is replaced by the sol gel material to coat the optical fiber core. The principle changes in the structure of sol-gel material is exposed when the water particles is a process of inflammation (swelling) on the surface, then there will be changes in the refractive index of the material. Change the value of the sol gel cladding refractive index determines the intensity of evanescent waves are absorbed so that the intensity of the guided optical waves or transmitted through the optical fiber core will be reduced. Response of optical fiber sensors are designed tested by measuring light intensity with the type of IF-D92 phototransistor and amplifier circuit for a voltage difference. The light source used is an infrared LED beam type IF-E91. Humidity measurement system transfer function is expressed as V = 0.0139 x +1.647 volts with V and X, respectively, voltage and humidity. Sensitivity of the measurement system is 0.0139 volts /% RH, and the measurement range between 47.58 to 89.70% RH. Key Word : evanescent, fiber optic, humidity,refractive index, sensors, ____________________________________________________________________________________ Perancangan dan Pembuatan Sistem Pengukuran Kelembaban Udara Menggunakan POF (Polymer Optical Fiber ) (Mochamad Adi Wardana,dkk.)


PENDAHULUAN Kelembaban merupakan salah satu parameter penting pada udara dan dapat berubah setiap saat.

Jika kelembaban udara tidak sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan maka dapat

menimbulkan berbagai macam kerugian. Informasi mengenai nilai kelembaban udara diperoleh dari proses pengukuran. Sensor kelembaban resistif dan kapasitif telah banyak digunakan dengan menggunakan berbagai jenis bahan yang sensitif terhadap kelembaban. Sensor kelembaban lain yang banyak dikembangkan adalah jenis sensor optik yang menggunakan serat optik sebagai bahan sensor. Pemanfaatan Fiber optik POF sebagai sensor kelembaban telah dilakukan oleh Shinzo[1] dengan konfigurasi probe sensor berbentuk lurus, diperoleh rentang kelembaban yang dapat dideteksi antara 20-90%.Penelitian lain oleh Arregui [2] dengan gel agarosa yang digunakan sebagai pengganti cladding dari probe, diperoleh hasil yang lebih baik. Rentang kelembaban yang mampu dideteksi 10100% dengan waktu respon 90 detik. Oleh karena itu Pada penelitian ini telah dirancang dan dibuat sensor kelembaban menggunakan serat optic plastic (POF) dengan modifikasi cladding menggunakan gel agarosa kemudian probe dari sensor dibengkokkan membentuk huruf “U”. Dengan membuat probe sensor bengkok seperti huruf “U” diharapkan hasil yang diperoleh akan lebih baik dari pada hasil-hasil penelitian sebelumnya.

Kelembaban Kelembaban adalah jumlah air yang terkandung dalam suatu zat melalui proses absorpsi atau adsorpsi yang mana air tersebut dapat dipisahkan kembali tanpa merubah sifat-sifat kimia zat. Kelembaban dapat dibedakan menjadi kelembaban dua macam, kelembaban mutlak dan kelembaban relatif. Banyaknya molekul air di udara dapat berubah-ubah dan diwujudkan ke bentuk fisis tekanan uap air di dalam udara. Kelembaban maksimum yang terjaga adalah tekanan uap air di udara yangmengalami kejenuhan. Tingkat kejenuhan sangat dipengaruhi oleh temperatur. Kelembaban relatif adalah perbandingan jumlah uap air yang dikandung udara terhadap jumlah uap air maksimum yang dapat dikandung udara tersebut. Kelembaban relatif dirumuskan[3]:

RH 

PW  100% PS

(1)

RH = kelembaban relatif Pw = tekanan parsial uap air Ps = tekanan uap air jenuh pada suhu yang sama

____________________________________________________________________________________ Perancangan dan Pembuatan Sistem Pengukuran Kelembaban Udara Menggunakan POF (Polymer Optical Fiber ) (Mochamad Adi Wardana,dkk.)


Prinsip Kerja Sensor Kelembaban menggunakan Serat Optik sensor serat optik intrinsik yaitu sistem sensor serat optik yang mengandalkan pola perubahan perambatan berkas sinar oleh perubahan lingkungan baik secara langsung maupun tidak langsung. Pola perubahan perambatan berkas sinar diakibat dari perubahan panjang lintasan fiber optik itu.Hal ini terjadi karena adanya perlakuan konfigurasi bending pada serat optik, atau adanya pengubahan dari sebagian struktur kulit (cladding) dari serat optic

Gambar 1 Sistem sensor fiber intrinsic[4] Sedangkan dalam penelitian dilakukan perancangan serat optic untuk sensor kelembaban dengan memanfaatkan bahan sol gel sehingga pola perambatan cahaya pada serat optic dari sumber ke phototransistor mengalami perubahan pola rambat. Berikut diagram blok sistem kerja sensor yang telah dilakukan. Serat Optik Sumber cahaya

Sol Gel

Phototransistor

Gambar 2 Blok diagram sistem kerja sensor Prinsip Gelombang Evanescent Serat Optik untuk Sensor Kelembaban Prinsip kerja sensor serat optik sebagai sensor kelembaban ini didasarkan pada fenomena absorpsi medan gelombang evanescent pada antarmuka inti serat optik dan cladding. Perubahan nilai indeks bias claddingagarosa akan menentukan besarnya intensitas gelombang evanescent yang terserap sehingga juga menentukan intensitas gelombang optik yang terpandu atau ditransmisikan melalui inti serat optik.

Gambar 3 Gelombang Evanescent



Pada saat sinar cahaya menjalar pada serat optik, sebagian gelombang terserap ke dalam cladding dan energi gelombang tersebut menghilang secara eksponensial, besar medan gelombang evanescent diberikan oleh persamaan [5]:

 Z E Z  E 0 exp    d p 

   

(2)

dengan: z = jarak penjalaran sinar E0= medan gelombang mula-mula dp=disebut penetration depth

dp 

 2

(3)

n sin 2   n 2 dengan: 𝝀= panjang gelombang cahaya n=

n Cladding n INTI

Tingkat besarnya gelombang evanescent yang terjadi mengakibatkan tingkat pelemahan (atenuasi) yang besar pula.Dari persamaan (3) dapat dilihat bahwa kedalaman penetrasi (dp) gelombang evanescent bergantung pada nilai perbandingan indeks bias claddingdengan indeks bias inti. Sedangkan tingkat pelemahan intensitas berkas cahaya yang keluar tergantung dari besar gelombang evanescent yang terbentuk.Maka jelas bahwa intensitas cahaya yang keluar juga tergantung dari indek bias antara cladding dan inti.Sehingga Semakin dalam penetrasi gelombang evanescent semakin kecil intensitas cahaya yang terpandu ditransmisikan melalui probe serat optik. DESAIN DAN METODE

A. Perancangan Sensor Sensor kelembaban menggunakan serat optik plastic (POF) sepanjang 20 cm. Sensor dirancang dengan teknik pengkupasan cladding sepanjang 3 cm menggunakan toolkit. Kemudian membersihkan core serat optik yang telah terkelupas cladding-nya menggunakan alkohol lalu mengeringkannya.

(a)

(b)



Gambar 4. (a) Pengkupasan cladding, (b) Pelapisan cladding oleh gel Melapisi inti serat optik dengan larutan agarosa dengan teknik dip-coating yaitu dengan mencelupkan bagian inti tanpa cladding tadi ke dalam larutan gel kemudian ditarik pelan-pelan keluar dari wadah larutan Membuat konfigurasi probe sensor serat optik dengan jari-jari kelengkungan bending 3,5 cm. Melewatkan cahaya LED infrared tipe IF-E91 pada sistem probe sensor serat optik. mengarahkan ujung lain dari probe ini pada tranduser fotodetektor. Kemudian mengukur intensitas cahaya LED infrared tipe IF-E91 yang keluar dari salah satu ujung probe sensor serat optik menggunakan fototransistor tipe IF-D92.

Gambar 5 Setting perancangan sensor B. Perancangan Pengkondisi Sinyal untuk Fototransistor Rangkaian pengkondisi sinyal yang digunakan adalah rangkaian penguat differensial dengan input berupa selisih tegangan antara V1 dan V2 yang keluar dari fotodetektor. Besar tegangan keluaran yang dihasilkan dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

Vout  V2  V1 

R2 R1

(5)

Gambar. 6 Rangkaian pengkondisi sinyal selisih tegangan



C. Metode Pengambilan data

Memasukan perancangan probe sensor serat optik kedalam humidity chamber dengan alat ukur kelembaban standard. Kemudian memberikan partikel air kedalam humidity chamber dari RH 40% hingga 95%. Selanjutnya melihat besar keluaran tegangan dari sistem sensor terhadap penambahan kelembaban dalam humidity chamber.

Gambar. 7 Set-up pengujian sensor kelembaban

HASIL DAN DISKUSI Analisa untuk mengetahui respon tegangan keluaran dari fototransistor atas intensitas cahaya infra red yang melewati serat optik pada konfigurasi bentuk, dilakukan secara manual dengan membengkokan hingga jari jari bending 3,5 cm. Hasil experiment menunjukan besar tegangan yang diperoleh yaitu untuk konfigurasi lurus adalah ± 3,04 V, sedangkan pada konfigurasi bentuk letter “U” sebesar ± 2,30V. Dengan memakai konfigurasi bentuk “U” maka serat optik yang terkupas dipasang sebagai sensor kelembabn udara pada ruang berdimensi 30x30x30 cm. untuk experiment uji kelembaban dilakukan dengan menggunakan alat humidifier skala lab yang dapat diatur tingkat uap air yang keluar secara manual, sehingga respon tegangan keluaran terhadap kelembaban ruang dapat dideteksi. Fiber optik sebagai sensor kelembaban akibat pelapisan bahan sol-gel sebagai pengganti cladding yang telah dikupas akan mempengaruhi cahaya yang melewati fiber tersebut, sehingga intensitas cahaya yang diterima oleh fototransistor akan berkurang. Prinsip perubahan struktur sol-gel apabila terkena partikel-partikel air akan mengalami proses pembengkakan (swelling) pada permukaannya, terjadi tanpa melarutkan dan pada suhu kamar[8].



Humidifier Sensor fiber optik

Gambar 8. Humidity Chamber Hasil yang diperoleh pada PC dapat diketahui secara real time dengan sistem sensor fiber optik yang secara kompak dirangkaikan. Gambar 9

menunjukan perubahan tegangan keluaran pada

fototransistor dan pengkondisi sinyalnya terhadap perubahan kelembaban ruang. Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan alat ukur kelembaban yang menggunakan sensor SHT11, yang telah terkalibrasi sempuna dari spesifikasi produksi, Sedangakan pada probe sensor diletakan bersama dengan sensor SHT11 pada satu titik yang sama.Dari data yang didapatkan maka dapat dibuat grafik hubungan antara tegangan keluaran terhadap masukan kelembaban. Nampak seperti gambar dibawah ini :

Gambar. 9 Grafik hubungan tegangan dengan kelembaban Dengan menggunakan rangkaian pengkondisi sinyal selisih tegangan maka keluaran tegangan system sensor akan semakin meningkat apabila kelembaban ditambah. Dari hasil karakterisasi data yang didapatkan,

diperoleh persamaan karakterisasi adalah V = 0,0139 x +1,647 volt. Persamaan

karakteristik ini menyatakan hubungan antara tegangan dan kelembaban sehingga diperoleh nilai sensitivitas 0,0139 volt/%RH.



KESIMPULAN Dari pembahasan yang telah diuraikan maka evaluasi perancangan sensor fiber optik plastik untuk pengukuran kelembaban udara dapat ditarik kesimpulan yaitu teknik penempelan sol gel pada inti serat optik yang telah dikupas cladingnya memeilki sensitivitas terhadap kelembaban udara. Fungsi transfer sistem pengukuran kelembaban dinyatakan sebagai V=0,0139 x +1,647 volt dengan V dan x berturut-turut adalah tegangan dan kelembaban. Sensitivitas sistem pengukuran adalah 0,0139 volt/%RH. Sedangkan Jangkauan pengukuran yang dapat dilakukan antara 47,58 - 89,70 %RH. Perancangan dan pembuatan sistem pengukuran kelembaban udara dengan memanfaatkan serat optik akan terus dikembangkan dan diplikasikan untuk industri maupun bidang kesehatan sebab metode ini mempunyai keunggulan dari pada sistem sensor yang lain salah satunya yaitu anti korosi. DAFTAR PUSTAKA [1] Shinzo Muto, Osamu Suzuki, Takashi Amano, Masayuki Morisawa, , “A Plastic Optical Fibre Sensor For real-time humidity monitoring”,Measurement Science And Technology, (2003), Hal. 746– 750. [2] Arregui, Francisco J, “An experimental study about hydrogels for the fabrication of optical fiber humidity sensors”, Sensors and Actuators B, Vol. 96 (2003), Hal. 165–172. [3] Fraden, Jacob. , Handbook of Modern Sensors, 3rd Edition, AIP Press, San Diego California,(2006). [4] T.L. Yeo.,“Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measureme”, Sensors and Actuators AVol. 144, (2008), Hal. 280–295. [5] Madu, Akhiruddin. Modjahidin, Kun. Sardy, Sar. Zain, Hamdani., “Pengembangan Probe Sensor Kelembaban Serat Optik dengan Cladding Gelatin”, Makara Teknologi, Vol. 10, No. 1, (2006),Hal. 45-50. [6] Andi, Paulus. Aplikasi OP-01 sebagai Pengukur Kelembaban Relatif Dengan Sensor HS-15P. http://delta-electronics.com. Diakses Tanggal 20 November 2010. [7] Ella Salamah, Dyah Susanti, dan Thamrin Wikanta. “Kualitas Agarosa Hasil Isolasi dari Rhodymenia ciliata Menggunakan Deae-Selulosa”, Buletin Teknologi Hasil Perikanan, Vol. 8 No. 1, (2005), Hal. 13-20. [8] Jinesh Mathew, Thomas K. J., Nampoori. V.P.N, Radhakrishnan, P “ A Comparative Study Of Fiber Optic Humidity Sensors Based on Chitosan and Agarosa”, Sensors and Transducers, .,(2007), Hal. 1633–1639.


PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM PENGUKURAN KELEMBABAN UDARA MENGGUNAKAN POF (Polymer Optical Fiber)

Recommend Documents