Perancangan Sistem Pengukuran Konsentrasi Larutan Gula Menggunakan Metode Difraksi

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 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 heru@ep.its.ac.id 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 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 engukuran konsentrasi larutan saat ini telah banyak Pdikembangkan. 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 He- Ne 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 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 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 layar C C B B cermin datar laser He-Ne A A M ( y, θ, ϕ) MD He-Ne H R kisi difraksi Gambar. 1. Set up sistem 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 (θθ ii ) menggunakan persamaan 1 θθ ii = tan (1) QQQQ Dengan menggunakan fungsi yang sama, didapatkan pula nilai θθ AA, θθ BB, θθ CC, dan θθ DD θθ AA = tan (2) OOOO θθ BB = tan OOOO θθ CC = tan OOOO θθ DD = tan OOOO (3) (4) (5) Att O θ A θ B θ C θ D θi 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 θθ AA : Sudut difraksi pada mm = 3, merupakan sudut yang terbentuk dari titik AAAAAA θθ BB : Sudut difraksi pada mm = 2, merupakan sudut yang terbentuk dari titik BBBBBB θθ CC : Sudut difraksi pada mm =, merupakan sudut yang terbentuk dari titik CCCCCC θθ DD : Sudut difraksi pada mm = 0 (sudut pantulan), merupakan sudut yang terbentuk dari titik DDDDDD P S G Q

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 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 10% θθ ii 50,2 θθ CC 57,9 θθ BB 65,8 θθ AA 76,8 20% θθ ii 50,2 θθ CC 57,4 θθ BB 64,8 θθ AA 75,5 30% θθ ii 50,2 θθ CC 54,8 θθ BB 61,5 θθ AA 70,3 40% θθ ii 50,2 θθ CC 54,5 θθ BB 60,6 θθ AA 69,1 50% θθ ii 50,2 θθ CC 54,2 θθ BB 60,9 θθ AA 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 menunjukkan mm =, 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 mm = 1 mm = 22 mm = 33 10% 57,9 65,8 76,8 20% 57,4 64,8 75,5 30% 54,8 61,5 70,3 40% 54,5 60,6 69,1 50% 54,2 60,9 69,5 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 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 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 Persamaan matematis mm = CC = 9,8039θθ + 576,5686 mm = 2 CC = 7,194θθ + 481,511 mm = 3 CC = 4,7847θθ + 375,789 Gambar. 4. Grafik sudut difraksi fungsi konsentrasi pada orde -1 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). Gambar. 5. Grafik sudut difraksi fungsi konsentrasi pada orde -2 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. Gambar. 6. Grafik sudut difraksi fungsi konsentrasi pada orde -3 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 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

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) = -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 =, mm = 2, dan mm = 3 serta persamaan matematis pada tiap orde difraksi, yaitu pada mm = persamaannya CC = 9,7087θθ + 571,359; pada orde mm = 2 persamaannya CC = 7,1428θθ + 478; pada orde mm = 3 persamaannya CC = 4,7619θθ 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 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) Ch. 1. [3] J. P. Bentley, Principle of Measurement Systems, 3 rd ed. London : Longman Group Limited, (1995) [4] G. Keiser, Optical Fiber Communication, 2 nd ed, Singapore : McGraw-Hill Inc (1991) 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, 6 th ed. E. Loewen, Ed. New York : Newport Corporation (2005) 20-22, 27. Ch. 2 [8] S. Pikatan, Laser, Kristal, Vol. 4, (1991, Jan.) [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) [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) [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) [14] G. Ye and X. Wang, Glucose sensing through diffraction grating of hydrogel bearing phenylboronic acid groups, Biosensor and Bioelectronics, Vol. 26 (2010)