Perancangan Sistem Pengukuran Konsentrasi Larutan Gula Menggunakan Metode Difraksi

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5

1

Perancangan Sistem Pengukuran Konsentrasi Larutan Gula Menggunakan Metode Difraksi Lusiana Weny Setyarini, Heru Setijono, Agus Muhammad Hatta Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] Abstrak— Kisi difraksi telah banyak digunakan dalam berbagai perangkat optik sejak lama. Kisi difraksi memiliki kelebihan berupa operasi yang mudah, dapat diaplikasikan secara luas, dan biayanya yang murah serta juga sebagai alat ukur non kontak. Salah satu aplikasi pengukuran non kontak adalah dengan metode difrasi yang menggunakan berkas cahaya. Penelitian ini sendiri memanfaatkan kisi difraksi untuk mengukur konsentrasi larutan gula. Dengan memanfaatkan pengukuran non kontak ini, larutan yang digunakan sebagai sample tidak akan mengalami perubahan komponen di dalamnya karena tidak adanya sentuhan dengan bahan ataupun alat ukur lainnya. Pada metode ini prinsip yang digunakan adalah ketika suatu cahaya dikenai pada suatu kisi, maka cahaya tersebut akan terdifraksi membentuk sudut difraksi yang berbeda. Perbedaan sudut difraksi itu bergantung pada indeks bias dari medium pendifraksian, dimana pada penelitian ini adalah larutan gula. Pengaruh perbedaan indeks bias didapatkan dari variasi konsentrasi larutan gula. Pada penelitian ini digunakan kisi difraksi jenis pantulan. Pada sistem ini didapatkan daerah pengukuran orde difraksi pada m=-1, m=-2, dan m=-3 serta persamaan matematis hubungan antara konsentrasi (C) terhadap sudut difraksi (𝜽𝜽) pada tiap orde difraksi, yaitu pada m=-1 persamaannya C=-9,7087𝜽𝜽+571,359; pada orde m=-2 persamaannya C=-7,1428 𝜽𝜽 +478; pada orde m=-3 persamaannya C=-4,7619 𝜽𝜽 +374. Berdasarkan persamaan tersebut dapat disimpulkan semakin tinggi konsentrasi suatu larutan, semakin kecil pula sudut difraksi yang dihasilkan. Range input sistem ini bernilai 54,2° sampai 76,8° dan range output sistem adalah 10% sampai 50%. Kata Kunci — Difraksi, Kisi, Konsentrasi, Larutan, Sudut

I. PENDAHULUAN

P

engukuran konsentrasi larutan saat ini telah banyak dikembangkan. Berbagai metode secara kimia ataupun fisika telah diketahui oleh kalangan umum. Penerapannya sendiri juga tidak terfokus pada skala laboratorium saja tetapi juga dapat digunakan dalam skala sebuah industri, industri gula misalnya. Dengan banyaknya metode yang dikembangkan dapat meminimalisir ketidakterjangkaunya alat-alat yang dibutuhkan pada saat itu. Salah satu metode baru sedang dikembangkan adalah dengan menggunakan kisi difraksi. Kisi difraksi sendiri telah banyak digunakan dalam banyak optical devices sejak lama. Terlebih lagi saat ini, kisi difraksi telah membangunkan ketertarikan dalam penelitian di bidang

sensor dan analisis. Kisi difraksi yang digunakan sebagai sensor memiliki kelebihan, yaitu operasi yang mudah, dapat diaplikasikan secara luas, dan biayanya yang murah. [14] Kelebihan lain dari metode ini adalah menggunakan pengukuran tidak langsung (non contact). Salah satu cara pengukuran tidak langsung adalah dengan memanfaatkan berkas cahaya, khususnya memanfaatkan fenomena difraksi dan interferensi cahaya. [5] Dengan memanfaatkan pengukuran tidak langsung ini, larutan yang digunakan sebagai sample tidak akan mengalami perubahan komponen di dalamnya akibat adanya sentuhan dengan bahan ataupun alat ukur lainnya. Metode lain yang sering digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu larutan adalah menggunakan metode spektroskopi yang berdasarkan Hukum Beer-Lambert. Pada penelitian ini akan ditekankan penggunaan prinsip difraksi dimana menggunakan kisi difraksi sebagai media pendifraksi. Saat cahaya mengenai kisi, akan timbul pola gelap terang dimana jika digunakan larutan yang berbeda-beda akan timbul perbedaan sudut difraksi. Sudut difraksi inilah yang akan digunakan untuk menganalisa pengaruh larutan terhadap prinsip difraksi itu sendiri. dengan adanya rancangan sistem yang sesuai maka penelitian ini akan dapat dilakukan. hal ini juga berlaku pada berbagai jenis larutan nantinya. Dalam penelitian ini digunakan larutan gula dengan konsentrasi 10%, 20%, 30%, 40%, dan 50% sebagai samplenya dengan laser He-Ne yang memiliki panjang gelombang 632,8 nm sebagai sumber cahaya dan kerapatan kisi difraksi 100 lines/mm serta perubahan suhu pada larutan diabaikan.

II. URAIAN PENELITIAN A. Identifikasi Komponen yang Dibutuhkan Komponen-komponen yang diperlukan adalah Laser HeNe dengan panjang gelombang 632,8 nm, kisi difraksi dengan kerapatan kisi 100 lines/mm, cermin datar yang disertai microdisplacement sebagai pengatur arah berkas laser agar jatuh tepat di kisi, layar penangkap pola gelap terang, mistar yang memiliki resolusi pengukuran 1mm guna mengukur jarak yang dihasilkan dari pola gelap terang tersebut, dan larutan gula dengan konsentrasi 10%, 20%, 30%, 40%, dan 50%.


2

B. Perancangan Sistem Pada tahapan ini yang dilakukan pertama kali adalah melakukan setting sistem yang terdiri dari sumber cahaya (Laser He-Ne), cermin datar dengan kemiringan sudut tertentu untuk mentransmisikan cahaya laser tepat ke kisi difraksi, lalu kisi difraksi yang diberikan larutan gula diatasnya, layar penangkap pola gelap terang, dan mistar.

Pengambilan sudut ini diambil pada saat tanpa mengunakan larutan, menggunakan larutan gula 10%, 20%, 30%, 40%, dan 50% sebagai sample.

L D

D’

C

layar

C’

B

B’

A cermin datar

A’

( y, θ , ϕ )

H

He-Ne

R

θ

kisi difraksi

C. Pengambilan Data Sudut Difraksi Setelah setting sistem terpenuhi seperti yang terlihat pada gambar 1, langkah selanjutnya adalah pengambilan data sudut datang dan sudut yang terdifraksi. Penentuan sudut sendiri melibatkan fungsi trigonometri tangen. Untuk mendapatkan sudut datang (𝜃𝜃𝑖𝑖 ) menggunakan persamaan 1 𝑃𝑃𝑃𝑃 (1) 𝜃𝜃𝑖𝑖 = tan−1 𝑄𝑄𝑄𝑄 Dengan menggunakan fungsi yang sama, didapatkan pula nilai 𝜃𝜃𝐴𝐴 , 𝜃𝜃𝐵𝐵 , 𝜃𝜃𝐶𝐶 , dan 𝜃𝜃𝐷𝐷 𝑃𝑃𝑃𝑃 (2) 𝜃𝜃𝐴𝐴 = tan−1 𝑂𝑂𝑂𝑂

𝜃𝜃𝐶𝐶 = tan−1

𝜃𝜃𝐷𝐷 = tan−1

𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑂𝑂𝑂𝑂



(3)

(4) (5)

A

θ

Att

Gambar. 1. Set up sistem

𝜃𝜃𝐵𝐵 = tan−1

MD

M

laser He-Ne

B

θ

C

θ

O

D

θi P

S G

Q

Gambar. 2. Skema sistem

Keterangan : He-Ne : Laser He-Ne Att : Attenuator H : Hole (lubang) S : Sample G : Grating (kisi difraksi) M : Mirror (cermin datar) MD : Microdisplacement 𝜃𝜃𝐴𝐴 : Sudut difraksi pada 𝑚𝑚 = −3, merupakan sudut yang terbentuk dari titik 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴′ 𝜃𝜃𝐵𝐵 : Sudut difraksi pada 𝑚𝑚 = −2, merupakan sudut yang terbentuk dari titik 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵′ 𝜃𝜃𝐶𝐶 : Sudut difraksi pada 𝑚𝑚 = −1, merupakan sudut yang terbentuk dari titik 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶′ 𝜃𝜃𝐷𝐷 : Sudut difraksi pada 𝑚𝑚 = 0 (sudut pantulan), merupakan sudut yang terbentuk dari titik 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷′

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 D. Menentukan Persamaan Matematis Setelah didapatkan sudut terdifraksi pada pola gelap terang yang terbentuk, dibuat persamaan matematis antara sudut difraksi dengan konsentrasi larutan pada masing-masing orde difraksi yang terbentuk (𝑚𝑚) menggunakan regresi linier. Pada persamaan matematis tersebut didapatkan nilai konsentrasi sebagai fungsi dari sudut difraksi. E. Pengujian Sistem dengan Variasi Konsentrasi yang Berbeda Setelah didapatkan persamaan matematis sistem tersebut, dilakukan pengambilan data lagi untuk mengetahui konsentrasi larutan jika digunakan persamaan matematis yang telah diketahui. Data sudut difraksi dari hasil pengukuran dimasukkan ke dalam persamaan matematis. III. HASIL PENELITIAN A. Hasil Pengukuran Sudut Difraksi Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, sudut difraksi yang diperoleh pada tiap orde dengan konsentrasi larutan gula 10%, 20%, 30%, 40%, dan 50% tersaji pada tabel 1 di bawah ini. Tabel 1 Sudut datang dan sudut difraksi yang didapatkan dari hasil pengukuran

KONSENTRASI 10%

KONSENTRASI 20%

KONSENTRASI 30%

KONSENTRASI 40%

KONSENTRASI 50%

Sudut 𝜃𝜃𝑖𝑖 𝜃𝜃𝐶𝐶 𝜃𝜃𝐵𝐵 𝜃𝜃𝐴𝐴 Sudut 𝜃𝜃𝑖𝑖 𝜃𝜃𝐶𝐶 𝜃𝜃𝐵𝐵 𝜃𝜃𝐴𝐴 Sudut 𝜃𝜃𝑖𝑖 𝜃𝜃𝐶𝐶 𝜃𝜃𝐵𝐵 𝜃𝜃𝐴𝐴 Sudut 𝜃𝜃𝑖𝑖 𝜃𝜃𝐶𝐶 𝜃𝜃𝐵𝐵 𝜃𝜃𝐴𝐴 Sudut 𝜃𝜃𝑖𝑖 𝜃𝜃𝐶𝐶 𝜃𝜃𝐵𝐵 𝜃𝜃𝐴𝐴

Nilai 50,2° 57,9° 65,8° 76,8° Nilai 50,2° 57,4° 64,8° 75,5° Nilai 50,2° 54,8° 61,5° 70,3° Nilai 50,2° 54,5° 60,6° 69,1° Nilai 50,2° 54,2° 60,9° 69,5°

Pada gambar 2 titik yang berfungsi sebagai terang pusat (𝑚𝑚 = 0) adalah titik D. Menurut Palmer (2005), orde difraksi positif terletak pada arah datangnya cahaya sedangkan orde negatif terletak pada arah sebaliknya. Sehingga titik C

3 menunjukkan 𝑚𝑚 = −1, titik B menunjukkan 𝑚𝑚 = −2, dan titik A menunjukkan 𝑚𝑚 = −3. B. Pengukuran Sudut Difraksi Terhadap Konsentrasi

Larutan Dengan diperolehnya jarak-jarak tersebut, maka dapat diketahui sudut datang dan sudut difraksi pada tiap orde difraksi dari pola gelap terang yang terbentuk. Sudut difraksi yang telah diketahui tersebut dapat dilihat pada tabel 2 di bawah ini. Tabel 2 Sudut difraksi pada tiap orde difraksi dengan berbagai macam konsentrasi

KONSENTRASI 10% 20% 30% 40% 50%

𝒎𝒎 = −𝟏𝟏

𝒎𝒎 = −𝟐𝟐

𝒎𝒎 = −𝟑𝟑

54,2°

60,9°

69,5°

57,9° 57,4° 54,8° 54,5°

65,8° 64,8° 61,5° 60,6°

76,8° 75,5° 70,3° 69,1°

Tabel 2 menunjukkan sudut difraksi dengan berbagai konsentrasi larutan gula pada masing-masing orde difraksi. Pada data tersebut terlihat bahwa sudut difraksi yang dihasilkan pada tiap orde difraksi mengalami penurunan sudut berdasarkan fungsi konsentrasi. Hal ini telah sesuai dengan teori yang sebenarnya. Menilik pada persamaan matematis difraksi, kenaikan indeks bias medium terjadinya difraksi akan mempengaruhi semakin kecilnya sudut difraksi yang terbentuk. Berdasarkan tabel 2 data mengenai sudut difraksi dapat dibuat grafik fungsi konsentrasi terhadap sudut pada tiap orde difraksi seperti yang dilihat pada gambar 3 di bawah.

Gambar. 3. Grafik sudut difraksi fungsi konsentrasi untuk berbagai orde difraksi

Gambar 3 telah memperlihatkan perbandingan sudut difraksi tiap larutan. Grafik ini perlu dibagi lagi menjadi grafik sudut difraksi fungsi konsentrai tiap orde difraksi untuk menentukan persamaan matematis menggunakan regresi linier.


4 diubah menjadi persamaan fungsi konsentrasi berdasarkan nilai sudut difraksi. Persamaan matematis yang didapatkan dapat dilihat pada tabel 3 sebagai berikut. Tabel 3 Persamaan matematis konsentrasi fungsi sudut difraksi

Orde difraksi 𝑚𝑚 = −1 𝑚𝑚 = −2 𝑚𝑚 = −3

Gambar. 4. Grafik sudut difraksi fungsi konsentrasi pada orde -1



Berdasarkan pada teori dan hasil pengukuran (gambar 3), sistem ini mengalami kesamaan untuk menghasilkan sudut difraksi yang cenderung menurun sebanding dengan tingginya nilai konsentrasi dan indeks bias. Mengacu pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, yaitu hubungan antara konsentrasi suatu larutan dan indeks bias larutan yang sebanding, maka pengukuran ini sesuai dengan teori. Mengingat tujuan dari sistem ini adalah untuk mengetahui konsentrasi larutan berdasarkan sudut difraksi pada tiap orde difraksi, maka persamaan yang telah didapatkan tersebut

Persamaan matematis 𝐶𝐶 = −9,8039𝜃𝜃 + 576,5686 𝐶𝐶 = −7,194𝜃𝜃 + 481,511 𝐶𝐶 = −4,7847𝜃𝜃 + 375,789

Persamaan matematis pada tabel 3 menyatakan bahwa saat dimasukkan nilai sudut difraksi hasil pengukuran (𝜃𝜃) sesuai dengan orde difraksinya, maka dapat diketahui nilai konsentrasi larutan tersebut (𝐶𝐶).

C. Validitas Sistem Dengan berpegang pada persamaan pada tabel 3, dilakukan pengukuran kembali untuk mengetahui keakurasian atas sistem pengukuran konsentrasi ini. Larutan yang digunakan adalah larutan A dan larutan B dimana larutan A memiliki konsentrasi 14%. Sedangkan larutan B memiliki konsentrasi 18%. Setelah didapatkan nilai sudut difraksi hasil pengukuran dan diolah ke persamaan matematis sesuai orde difraksinya, didapatkan nilai akurasi paling tinggi, yaitu pada orde difraksi 𝑚𝑚 = −2 dengan error sebesar 2,86% pada larutan A dan 7,78% pada larutan B. Hasil error sendiri dapat disebabkan karena setting alat yang tidak sama dengan setting saat diambilnya pengukuran sudut untuk sample. Berdasarkan hasil pengukuran ini dapat diambil kesimpulan bahwa metode difraksi dapat digunakan sebagai sistem pengukuran konsentrasi. Perubahan sudut difraksi yang terbentuk berdasarkan variasi konsentrasi membuktikan bahwa konsentrasi memiliki hubungan yang sebanding dengan indeks bias. Semakin rapat suatu medium menyebabkan semakin besar pula nilai indeks bias medium tersebut. D. Karakteristik Sistem Pengukuran Karakteristik dalam suatu alat pengukuran digunakan mengetahui performansi atau kinerja sistem tersebut.  Range Range input sistem ini adalah 54,2° sampai76,8° sedangkan range output sistem ini adalah 10% sampai 50%.  Span Span input sistem ini adalah 22,6° dan span output sistem ini adalah 40%.  Linearity Linieritas pada orde difraksi m = -1 adalah 0,868; pada orde difraksi m = -2 adalah 0,848; dan pada orde difraksi m = -3 adalah 0,839. Nilai-nilai tersebut didapatkan dari hasil regresi linier grafik yang dihasilkan. Berdasarkan nilai tersebut pengukuran pada orde difraksi m = -1 memiliki linieritas yang tinggi.  Sensitivitas Sensitivitas sistem pada orde difraksi m = -1 adalah 9,71% massa zat terlarut/°. Pada orde difraksi m = -2 adalah 7,14% massa zat terlarut/°. Pada orde difraksi m

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 = -3 adalah 4,76% massa zat terlarut/°. Berdasarkan nilai tersebut pengukuran pada orde difraksi m = -1 memiliki sensitivitas yang paling besar. Hal ini menandakan dengan nilai input minimum yang dalam hal ini adalah sudut difraksi dapat menunjukkan suatu perubahan output, yaitu konsentrasi larutan gula.  Resolusi Resolusi sistem pada orde difraksi m = -1 adalah 0,103° sudut difraksi tiap perubahan 1% massa zat terlarut. Pada orde difraksi m = -2 adalah 0,14° sudut difraksi tiap perubahan 1% massa zat terlarut. Pada orde difraksi m = -3 adalah 0,21° sudut difraksi tiap perubahan 1% massa zat terlarut. Berdasarkan nilai tersebut pengukuran pada orde difraksi m = -1 memiliki resolusi yang paling kecil. Hal ini menandakan pada orde difraksi tersebut pembacaan konsentrasi larutan merupakan yang paling baik karena dengan perubahan sudut difraksi 0,103° dapat mengukur perubahan 1% konsentrasi larutan gula. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN A. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian tentang “Perancangan Sistem Pengukuran Konsentrasi Gula Menggunakan Metode Difraksi” ini, maka didapatkan kesimpulan, yaitu metode difraksi dapat dilakukan untuk mengukur konsentrasi larutan gula dengan memanfaatkan hubungan antara indeks bias dan sudut difraksi. Indeks bias sendiri berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Pada sistem ini didapatkan daerah pengukuran orde difraksi pada 𝑚𝑚 = −1, 𝑚𝑚 = −2, dan 𝑚𝑚 = −3 serta persamaan matematis pada tiap orde difraksi, yaitu pada 𝑚𝑚 = −1 persamaannya 𝐶𝐶 = −9,7087𝜃𝜃 + 571,359; pada orde 𝑚𝑚 = −2 persamaannya 𝐶𝐶 = −7,1428𝜃𝜃 + 478; pada orde 𝑚𝑚 = −3 persamaannya 𝐶𝐶 = −4,7619𝜃𝜃 + 374. Berdasarkan persamaan tersebut dapat disimpulkan semakin tinggi konsentrasi suatu larutan, semakin kecil pula sudut difraksi yang dihasilkan. Karakteristik dari sistem berdasarkan persamaan matematis yang didapatkan adalah linier. Range input sistem ini adalah 54,2° sampai 76,8° sedangkan range output sistem ini adalah 10% sampai 50%. Akurasi sistem paling tinggi terletak pada orde 𝑚𝑚 = −2 karena memiliki error yang paling kecil setelah dilakukan validitas, yaitu 2,86%. Sensitivitas sistem pada orde difraksi m = -1 memiliki sensitivitas yang paling besar, yaitu 9,71% massa zat terlarut/°. Hal ini menandakan dengan nilai input minimum yang dalam hal ini adalah sudut difraksi dapat menunjukkan suatu perubahan output, yaitu konsentrasi larutan gula. Resolusi sistem pada orde difraksi m = -1 memiliki resolusi yang paling kecil, yaitu 0,103° sudut difraksi tiap perubahan 1% massa zat terlarut. Hal ini menandakan pada orde difraksi tersebut pembacaan konsentrasi larutan merupakan yang paling baik karena dengan perubahan sudut difraksi yang minimum dapat mengukur perubahan 1% konsentrasi larutan gula. B. Saran Dalam penelitian Tugas Akhir ini, terdapat beberapa hal yang dapat dilakukan terkait pengembangan penelitian ini

5 adalah setting alat sebaiknya dikondisikan tetap saat pengambilan data validasi untuk meminimalisir besarnya error. UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya Tugas Akhir ini penulis L.W.S. mengucapkan terima kasih kepada seluruh civitas akademik Teknik Fisika atas bantuan secara langsung ataupun tidak langsung serta kepada PT. Angkasa Pura yang telah memberikan beasiswa untuk kelancaran Tugas Akhir ini. DAFTAR PUSTAKA [1] D. Ashari, Konsentrasi Larutan, Makassar : Akademi Teknik Industri (2010) [2] M. Bass, Handbook of Optics : Fundamental, Techniques, and Design, Vol. 1. D. S. Goodman, Ed, New York : McGraw-Hill Inc (1995) 9-10. Ch. 1. [3] J. P. Bentley, Principle of Measurement Systems, 3rd ed. London : Longman Group Limited, (1995) [4] G. Keiser, Optical Fiber Communication, 2nd ed, Singapore : McGraw-Hill Inc (1991) 23-24 Ch. 2. [5] Muchiar, “Penelitian pengukuran diameter kawat halus dengan memanfaatkan fenomena difraksi optik”, Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II, Banten (2008, Nop.) [6] E. Nursulistiyo, Optika Geometri, Yogyakarta : Universitas Ahmad Dahlan (2012) [7] C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, 6th ed. E. Loewen, Ed. New York : Newport Corporation (2005) 20-22, 27. Ch. 2 [8] S. Pikatan, “Laser”, Kristal, Vol. 4, (1991, Jan.) 1-11. [9] C. D. Ratnawati, “Reflektansi dan transmitansi cahaya pada larutan gula dan larutan garam”, Semarang : Jurusan Fisika Universitas Diponegoro (2007) A. Rofiq, “Analisis indeks bias pada pengukuran konsentrasi larutan sukrosa (C 12 H 22 O 11 ) menggunakan portable brix meter”, Semarang : Universitas Diponegoro (2010) [10] S. Sainov, “Optical sensor based on total internal reflection diffraction grating”, Sensor and Actuators, Vol. A-45 (1994) 1-6. [11] H. Sugito, S. B. Wahyu, K. S. Firdausi, dan S. Mahmudah, “Pengukuran panjang gelombang sumber cahaya berdasarkan pola interferensi celah banyak”, Berkala Fisika, Vol. 2 (2005) 37-44. [12] B. Sutapun and M. Tabib-Azar, “Grating-coupled multimode fiber optics for filtering and chemical-sensing applications”, Sensor and Actuators, Vol. B-69 (2000) 63-69. [13] T. Tamulevicˇius, R. Sˇeperys, M. Andrulevicˇius and S. Tamulevicˇius, “Total internal reflection based subwavelength grating sensor for the determination of refractive index of liquids”, Photonics and Nanostructures, Vol. 9 (2011) 140-148. [14] G. Ye and X. Wang, “Glucose sensing through diffraction grating of hydrogel bearing phenylboronic acid groups”, Biosensor and Bioelectronics, Vol. 26 (2010) 772-777.

Perancangan Sistem Pengukuran Konsentrasi Larutan Gula Menggunakan Metode Difraksi

Recommend Documents