APLIKASI SERAT OPTIK SEBAGAI INDIKATOR KETINGGIAN CAIRAN DENGAN METODE DETEKSI RUGI DAYA OPTIS AKIBAT PELENGKUNGAN DAN PEMOLESAN

Transkripsi

1 APLIKASI SERAT OPTIK SEBAGAI INDIKATOR KETINGGIAN CAIRAN DENGAN METODE DETEKSI RUGI DAYA OPTIS AKIBAT PELENGKUNGAN DAN PEMOLESAN A Zaini Arif, Samian, Supadi Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Kampus C Unair Jl. Mulyorejo, Surabaya ABSTRAK Telah dikembangkan indikator ketinggian cairan dengan prinsip modulasi intensitas yaitu dengan memanfaatkan perubahan rugi daya optis pada lengkungan(macro-bending) serat optik yang dipoles. Serat optik plastik dengan diameter 1 mm dilengkungkan menyerupai huruf U dengan jari-jari 4,4 mm kemudian disebut dengan probe. Ujung probe dipoles dengan kedalaman 175,6 μm agar dapat kontak langsung dengan media luar yang diukur. Dibuat 9 buah probe dengan jarak 70 mm. Didapat hubungan antara rugi daya optis dengan jumlah probenya adalah berupa grafik ekponesial dan didapat hubungan yang linear antara rugi daya optis dalam satuan desibel (db) dengan jumlah probe. Dalam pengukuran ketinggian cairan, tegangan yang terukur oleh detektor mengalami kenaikan jika jumlah probe yang tercelup bertambah sehingga ketinggian cairan dapat terdeteksi dengan baik pada setiap periode ketinggian 70 mm. Total rentang ketinggian yang diukur adalah 0 mm sampai 700 mm. Kata kunci : Probe, Rugi daya optis

2 1. PENDAHULUAN Pengukuran ketinggian cairan sa-ngatlah penting diantaranya pada dunia industri. Dalam pengukuran ketinggian cairan tersebut diantaranya dibutuhkan sistem yang bekerja secara otomatis, mem-punyai respon yang baik, akurat, dan mudah pengaplikasiannya. Pengembangan pengukuran ketinggi-an zat cair sangatlah menarik karena banyak metode pengukuran ketinggian cairan yang telah berhasil dikembangkan. Beberapa metode untuk mengukur ketinggian zat cair telah banyak dilakukan diantaranya adalah dengan menggunakan prinsip hidrostatis, kapasitif, ultrasonik, gelombang mikro, inframerah, elektro-mekanik, radiometri, dan metode optik. Penggunaan dan pengembangan se-rat optik (fiber optic) sebagai sensor telah banyak dilakukan. Serat optik menjadi salah satu pilihan pengembangan sensor yang menjanjikan karena memiliki ke-unggulan diantaranya yaitu tidak kontak langsung dengan obyek pengukuran, tidak menggunakan sinyal listrik, akurasi pe-ngukuran yang tinggi, tahan terhadap in-duksi listrik maupun magnet, dapat di-monitor dari jarak jauh, dapat dihubung-kan dengan sistem komunikasi data, serta dimensinya yang kecil dan ringan me-mudahkan penginstalannya (Krohn, 2000). Ada banyak aplikasi sensor serat optik untuk pengukuran ketinggian zat cair, diantaranya yang berhasil diteliti adalah sensor ketinggian zat cair meng-gunakan serat optik dengan probe berupa prisma (Hossein, 2004) maupun elemen sensitif berbentuk kerucut (Pekka, 1997), deteksi ketinggian zat cair melalui per-geseran panjang gelombang Bragg yang dihasilkan dari Fiber Bragg Grating (FBG) (Kyung-Rak. dkk, 2009). Deteksi ketinggian cairan juga telah dilakukan dengan menggunakan dua buah serat op-tik sebagai pemancar dan penerima berkas cahaya melalui sebuah cermin (head sensor) sebagai collimator (C. Vazquez dkk, 2004). Kemudian, dengan teknik yang sederhana telah dikembangkan juga sensor ketinggian air berdasarkan sensor pergeseran berbasis modulasi intensitas menggunakan fiber coupler serta meng-gunakan prinsip hidrostatis yaitu tekanan hidrostatis (Samian dan Supadi, 2010). Salah satu rugi daya optis yang dialami oleh serat optik adalah disebabkan karena adanya lengkungan (macro-bending) pada serat optik. Rugi daya ini tergantung pada karakteristik serat optik, pada jari-jari kelengkungan, dan pada media eksternal yang kontak langsung dengan bagian lengkungan tersebut. Dengan memanfaatkan rugi daya karena adanya lengkungan dapat dibuat indikator ketinggian cairan dengan prinsip modulasi intensitas. Tekniknya relarif sederhana yaitu dengan melengkungkan serat optik dengan jari-jari tertentu dipoles pada ujung

3 lengkungnya (probe). Karena bagian teras serat optik dapat kontak langsung dengan cairan akibat pemolesan tersebut, sehingga diharapkan dapat meningkatkan respon penurunan rugi daya optis karena ujung probe tercelup cairan. Pada penelitian ini dibuat beberapa probe dengan jarak tertentu, sehingga akan mengukur ketinggian cairan pada level-level tertentu. Oleh karena itu proses pengukuran sensor ini akan bersifat diskontinu. Serat optik yang digunakan adalah serat optik plastik karena jika dibanding dengan jenis lain serat optik jenis plastik harganya relatif lebih murah, fleksibel, mudah memanipulasinya, aperture nu-meriknya besar, diameternya lebih besar, dan dapat dilengkungkan dengan mudah dengan jari-jari yang kecil. Keuntungan metode ini adalah relatif mudah dan murah dalam pembuatannya, jangkauan pengu-kuran level dapat dibuat cukup lebar. 2. METODE PENELITIAN Pembuatan Probe Serat optik dilengkungkan menyeru-pai bentuk U. Lengkungan tersebut ditahan dengan sebuah penyangga sehingga bentuknya tidak berubah. Kemudian di-lakukan pemolesan (diamplas) sehingga terdapat goresan berbentuk elips (2x) pada ujung probe tersebut dengan panjang 2x sebesar 2,6 mm. Proses pemolesan di-lakukan pada ujung probe dengan meng-gunakan ampelas waterproof no Ampelas dicelupkan pada air terlebih dahulu agar permuakaan ampelas lebih halus. Ujung probe dipoles pelan-pelan agar panjang 2x tidak melebihi 2,6 mm. Jika nilai 2x belum 2,6 mm dilakukan pemolesan lagi hingga nilai 2x mencapai 2,6 mm. Saat proses pemolesan berkas laser He-Ne dimasukkan dari salah satu ujung serat optik tujuannya adalah untuk mem-perjelas goresan ellips diujung probe sehingga mempermudah pengukurannya. Pengukuran 2x menggunakan jangka sorong dengan ketelitian 0,05 mm dan di-lihat dengan bantuan lup/kaca pembesar untuk memperjelas pengukuran. Ilustrasi Pemolesan pada bagian ujung probe dapat dilihat pada Gambar 1. Pada Gambar 1 menunjukkan serat optik yang yang dilengkungkan dan dipoles pada ujungnya. Jika diperhatikan maka pada bagian muka polesan tersebut terdapat goresan pada ujung probe yang berbentuk elips. Kedalaman polesan (d) dapat dihitung sebagai fungsi dari panjang sumbu mayor elips (2x), jika jari-jari

4 lengkungan R dan jari-jari serat optik adalah r, maka persamaan yang menyata-kan kedalaman polesan (d) adalah, (1) Penggunaan persamaan (1) secara geometri memudahkan dalam mengetahui kedalamam inti(core) yang terpoles karena nilai 2x relatif lebih mudah untuk diukur panjangnya. Gambar 1. Gambar salah satu probe dan ilustrasi pemolesannya Dari pengukuran nilai jari-jari probe (R) adalah 4,4 mm, jari-jari serat optik adalah 0,5 mm, dan nilai 2x adalah 2,6 mm. Maka berdasarkan perhitungan de-ngan menggunakan persamaan (1) didapat kedalaman polesan sebesar 175,6 μm. Adapun tujuan pemolesan adalah agar bagian teras (core) serat optik dapat kontak langsung dengan cairan yang diukur. Sehingga terjadi respon perubahan tegangan yang terukur akibat perubahan probe yang tercelup. Kemudian Rugi daya tiap probe diukur dengan detektor cahaya sehingga diketahui hubungan antara rugi daya dengan jumlah probenya. Langkah selanjutnya adalah mengaplikasikan probe yang telah dibuat untuk mendeteksi ketinggian cairan. Set up Eksperimen Rancangan pemanfaatan rugi daya optis karena lengkungan dan pemolesan sebagai indikator ketinggian cairan secara sederhana dapat di ilustrasikan pada gambar 2. Laser sebagai sumber cahaya dipancarkan dan dipandu olah serat optik. Ketika sinar laser melewati probe maka akan terjadi rugi daya atau terdapat sinar yang diloloskan. Ketika probe tersebut hanya berinteraksi dengan media luar berupa udara maka rugi daya optisnya akan berbeda dengan jika ada bagian probe yang terendam dengan cairan. Oleh

5 karena dengan mengubah-ubah ketinggian cairan secara teratur maka probe yang terendam dengan cairan juga akan berubah. Dapat diperkirakan jumlah probe yang terendam dengan cairan akan mempunyai hubungan dengan perubahan rugi daya optis pada serat optik tersebut. Detektor pada ujung serat optik yang lain akan mendeteksi daya optis yang masih terpandu oleh serat optik. Detektor ini akan mengubah cahaya yang mengenainya menjadi tegangan listrik. Dengan demikian perubahan ketinggian zat cair dapat dideteksi melalui tegangan listrik yang terbaca pada detektor optis tersebut. Gambar.2 Rancangan indikator ketinggian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Data hubungan antara tegangan keluaran detektor terhadap jumlah probe dan dapat dilihat pada gambar 3. Detektor yang digunakan adalah detektor OPT 101 dan sumber cahayanya adalah laser He-Ne 632,8 nm uniphase dengan daya 0,95 mw. Gambar 3. Hubungan tegangan keluaran detektor dengan jumlah probe

6 Gambar 3 grafiknya mempunyai persamaan eksponesial y = 44.83e -0.97x artinya bahwa pola hubungan antara tegangan keluaran terhadap jumlah probe adalah eksponensial. Tegangan keluaran yang diterima oleh detektor optik me-ngalami pelemahan secara eksponensial ketika jumlah probe bertambah. Hal ini sesuai dengan attenuasi atau rugi daya pada serat optik yang secara fisis di rumuskan (2) Nilai R 2 dari grafik 4.1 adalah 0,989 menunjukkan bahwa tingkat kepercayaan grafik hubungan keluaran dengan jumlah probe berupa grafik eksponen adalah 98,9 % atau mengalami error sebesar 1,1 %. Rugi daya biasanya dinyatakan dalam satuan Desibel, sehingga untuk mengetahui bahwa tiap probe mengalami rugi daya. Serta untuk mengetahui hubungan rugi daya dengan jumlah probe maka dapat dihitung rugi daya dalam satuan desibel (db). Desibel berkaitan dengan rasio dua kuantitas elektrik seperti daya(watt), Tegangan(volt), dan Arus(ampere). Jika kita melewatkan sinyal pada suatu pe-rangkat, tentunya akan mengalami pe-nurunan atau penguatan daya. Sinyal input dan Output dapat berupa satuan daya(w), arus (A), atau tegangan(v). Desibel sangat berguna untuk membandingkan level ma-sukan ke keluaran. Jika level keluaran lebih besar daripada level masukan, ja-ringan menunjukkan penguatan, sebalik-nya jika level keluaran lebih kecil maka jaringan tadi menunjukkan peredaman. (Fremann, Roger L. 2005). Secara matematis rugi daya dalam Desibel adalah perbandingan logaritmik antara daya masukan ( P out ) dengan daya keluaran ( P in ). Dan dapat di tulis (3) Karena yang terukur oleh detektor adalah tegangan (V) dan P V 2 maka persamaan 3 menjadi (4) V in adalah tegangan keluaran detektor dengan jumlah probe 0 atau serat optik belum dilengkungkan dan dipoles berdasarkan pengukuran nilainya 17,23 Volt. Sedangkan V out adalah tegangan keluaran detektor dengan jumlah probe 1, 2, sampai 9 buah. Berdasarkan hasil per-hitungan dengan menggunakan persamaan 4 maka dapat dibuat grafik hubungan antara rugi daya yang terjadi karena kenaikan jumlah probe (gambar 4)

7 Gambar 4. Grafik Rugi daya terhadap jumlah probe Dari Gambar 4 nampak terjadi kenaikan rugi daya secara linear karena penambahan jumlah probe. persamaan linearitas adalah y = 8.481x dengan nilai koefisien korelasi (R 2 ) sebesar Nilai R 2 artinya Hubungan rugi daya dengan jumlah probe adalah linear dengan tingkat kepercayaan sebesar 98,9 atau error sebesar 1,1 %. Karena rugi daya mengalami kenaikan secara linear akibat pertambahan jumlah probe maka dapat dipastikan tiap probe mengalami rugi daya. Pengaplikasian serat optik yang di-lengkungkan (probe) sebagai indikator ketinggian cairan hasil datanya dapat dilihat pada gambar 5. Gambar 5. Grafik kenaikan tegangan terhadap jumlah probe yang tercelup Pada gambar 5 nampak bahwa te-gangan yang terukur oleh detektor mengalami kenaikan jika jumlah probe yang tercelup bertambah. Kenaikan tegangan terjadi karena cladding yang terpoles semula digantikan oleh udara dengan indek bias 1 terisi oleh air dengan indek bias 1,33 sehingga terjadi kenaikan pantulan sinar didalam core serat optik. Jumlah probe yang tercelup mewakili rentang ketinggian cairan tertentu. Misal-nya jumlah probe yang tercelup 0 maka ketinggian cairannya adalah 0 s/d 70 mm. Jika 1 probe yang tercelup maka

8 ketinggi-an cairannya adalah 70 s/d 140 mm dan seterusnya. Sehingga total ketinggian cair-an yang terukur adalah 700 mm. rentang ini dapat dimungkinkan bertambah dengan mengatur jarak antar probe serta mencari jari-jari dan kedalaman polesan probe yang sesuai sehingga rugi daya optis yang terjadi pada probe tidak terlalu besar. 4. KESIMPULAN Rugi daya akibat pelengkungan (macro-bending) serat optik yang dipoles ujung lengkungnya dapat dimanfaatkan sebagai indikator ketinggian cairan dengan prinsip pendeteksian secara diskontinu dan dapat bekerja dengan baik. Rentang ketinggian yang terukur adalah 0 sampi 700 mm. 5. DAFTAR PUSTAKA Binu, S. V.P. Mahadevan Pillai, N. Chandrasekaran, 2007, Fiber Optic Displacement Sensor for Measure-ment Amplitude and Frequency of Vibration, Optic & Laser Tech-nology, 39: University of Kerala, Kariavattom, Thiruvananthapuram , Kerala, India Freeman, Roger L., 2005, Fundamentals of telecommunications, John Weley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey. Hossein Golnabi, 2004, Design and Operation of A Fiber Optic Sensor For Liquid Level Detection, Optics and Lasers in Engineering, 41: Sharif University of Tech-nology, Tehran, Iran Krohn, D.A, 2000, Fiber Optic Sensor, Fundamental and Application, 3 rd, ISA, New York. M. Lomer, J. Arrue, C. Jauregui, P. Aiestaran, J. Zubia, J.M. L opez-higuera, 2007, Lateral Polishing of Bends In Plastic Optical Fibres Applied to A Multipoint Liquid-Level measurement sensor, A 137: 68 73, Spain. Samian dan Supadi, 2010, Sensor Ketinggian Air Menggunakan Multi-mode Fiber Coupler, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga, Surabaya Samian, Yono Hadi Pramono, Ali Yunus Rohedi, Febdian Rusydi, AH Zaidan, 2009, Theoretical and Experimental Study of Fiber-Optic Displacement Sensor Using Multimode Fiber Coupler. Journal of Optoelectronics and Biomedical Materials, 1 (3): Universitas Airlangga, Surabaya