3.1. Tempat dan Waktu Penelitian BAB III METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Optik dan Aplikasi Laser Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Tehnologi Universitas Airlangga Kampus C Mulyorejo Surabaya pada bulan Februari 2012 sampai bulan Juni 2012. 3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1 Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Laser He-Ne Sumber cahaya yang digunakan adalah laser He-Ne dengan panjang gelombang 632,8 nm dan daya keluaran 1 mw. 2. Multimode Fiber Coupler Multimode Fiber coupler yang digunakan berstruktur 2 2 dari bahan serat optik plastik berdiameter 1 mm (diameter core 960 µm, tebal cladding 20 µm) dan panjang 50 cm. Nilai splitter ratio Multimode Fiber coupler yang digunakan masing-masing sebesar 50 : 50. Jenisnya adalah serat optik tunggal yang terdiri dari dua bagian yaitu yang pertama sebagai serat pemancar dan yang kedua sebagai penerima berkas cahaya yang dikeluarkan serat optik dan dipantulkan ke bagian penerima. 3. Detektor OPT 101 (Burr Brown) Detektor OPT 101 merupakan foto detektor yang beroperasi baik pada daya optik yang rendah, mempunyai kepekaan yang tingi pada daerah dekat panjang 25
26 gelombang cahaya merah. Detektor ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan daya optik cahaya akibat perubahan jarak pemantul terhadap directional coupler disebabkan oleh perubahan laju aliran cairan pada luas panampang yang berlainan. 4. Mikrometer posisi (Uniphase) Mikrometer posisi ini berfungsi untuk menggeser kanal sensing serat optik Multimode Fiber coupler. 5. Mikrovoltmeter tipe LH 53213 Mikrovoltmeter berfungsi untuk membaca tegangan keluaran detektor optis OPT 101 saat terkena cahaya dari sumber cahaya. 6. Tabung ukur Tabung ukur ini dari bahan gelas berdiameter 10 cm dan tinggi 32 cm yang dilengkapi dengan skala (skala terkecil 1 mm). Selain itu, tangki ini juga dilengkapi dengan keran, sehingga memudahkan saat proses pengurangan volume zat cair di dalam tangki. 7. Bak penampung Bak penampung digunakan untuk menampung air yang di pompa atau tandon air dan sebagai pembuangan air, sedemikian rupa sehingga air membentuk siklus yang berputar. 8. Membran Membran ini berfungsi sebagai media yang mengalami tekanan hidrostatik zat cair di dalam tangki.
27 9. Aluminium Foil Aluminium Foil ini direkatkan pada permukaan membran yang berfungsi sebagai reflektor/pemantul kembali sinar yang dipancarkan melalui Multimode Fiber Coupler. 10. Pompa Pompa yang digunakan adalah pompa air yang dapat diubah-ubah laju alirannya. 11. Flowmeter Blue-White F-403762 N. Flowmeter adalah alat ukur kecepatan aliran fluida standart pabrikan. 12. Perangkat pendukung Perangkat pendukung yang dibutuhkan berupa bangku optik, holder, selang air, sumbat gabus, serta kabel-kabel pendukung. 3.2.2 Bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Air Air sebagai fluida yang akan dicari kecepatan (flowrate) saat berada di dalam sebuah pipa. 3.3. Prosedur Penelitian Prosedur kerja pada penelitian ini dapat sebagaimana digambarkan pada diagram alir dibawah ini:
28 Persiapan alat dan bahan Merangkai desain penelitian Desain sensor penelitian Uji coba venturimeter Uji coba flowmeter pabrik Pengambilan data Pengambilan data Membandingkan Analisis data Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian 3.4. Desain Sensor Penelitian Desain Multimode fiber coupler dan tabung venturi sebagai sensor laju aliran fluida zat cair berdasarkan pada prinsip Bernoulli dan sensor pergeseran yang berbasis modulasi intensitas diperlihatkan pada gambar berikut :
29 Detektor 1 Voltmeter 1 Voltmeter 2 Detektor 2 Laser 1 Fiber coupler 1 Fiber coupler 2 Laser 2 Membran 1 Membran 2 Pompa air Venturimeter Gambar 3.2. Desain sensor penelitian Bak Penampung Laser, detektor optis dan voltmeter dinyalakan sedemikian sehingga cahaya laser masuk ke input port. Cahaya melewati fiber coupler dan keluar dari sensing port. Cahaya dari transmiter dipantulkan oleh alumunium foil masuk kembali ke sensing port. Selanjutnya cahaya keluar dari detection port menuju detektor dan terbaca pada masing- masing voltmeter. Posisi kanal sensing masing-masing fiber coupler diatur agar cahaya pantul tepat berhimpit dengan cahaya datang. Hal ini berarti antara cahaya datang, cahaya pantul, dan pusat membran yang menggelembung akibat adanya tekanan air terletak pada garis lurus. Posisi berhimpit dapat ditentukan dengan cara membaca tegangan yang terukur paling besar atau bernilai maksimal. Pemasangan sensing port terhadap membran pada taung venturi meter dapat dilihat pada gambar di Lampiran 8. Cahaya dipandu menuju detektor. Detektor merubah sinyal optik menjadi sinyal listrik berupa data tegangan listrik yang dibaca oleh voltmeter. 3.5. Pengambilan data Pengambilan data ini dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut;
30 1. Menentukan hubungan tegangan keluaran detektor terhadap tekanan. Tekanan yang dialami membran adalah tekanan dari ketinggian zat cair. Menentukan persamaan konversi antara tekanan dan tegangan keluaran detektor, yaitu dengan cara merubah ketinggian air dan mencatat hasil berupa ketinggian dan tegangan keluaran detektornya. Rangkai peralatan dan bahan eksperiment yang telah disediakan seperti gambar berikut. Gambar 3.3. Kalibrasi antara tekanan akibat ketinggian fluida dan tegangan listrik yang dihasilkan Air dituangkan pada tangki ukur sampai dengan ketinggian 150cm relatif terhadap posisi membran pada tabung venturi. Tekanan yang dihasilkan menekan membran pada leher kecil(inlet) dan leher besar(throat) tabung venturi.. Kemudian mencatat tegangan keluaran masing- masing detektor. Kran air pada bagian bawah tangki ukur dibuka sehingga ketinggian air berkurang 5 cm, kemudian nilai tegangan
31 yang tertera pada voltmeter dicatat. Mengulangi pencatatan untuk setiap ketinggian berkurang 5 cm sampai ketinggian mencapai 0 cm.. Selanjutnya membuat tabulasi data yang diperoleh ke dalam tabel dan membuat plot grafik tegangan keluaran detektor terhadap tekanan yang diterima pada kedua membran. Setelah itu melakukan uji regresi linear tegangan listrik yang terukur pada voltmeter sebagai fungsi dari tekanan untuk kedua membran. 2. Pengukuran laju aliran Pada Gambar 3.4 menunjukkan set-up alat eksperimen untuk menentukan besarnya laju aliran air. Laser, detektor optis dan voltmeter dinyalakan sedemikian sehingga berkas cahaya pantulan dari setiap membran yang diterima oleh kanal masing- masing fiber coupler dapat diterima oleh detektor dan terbaca pada masingmasing voltmeter. Saklar pompa air dinyalakan sehingga air mengalir dalam pipa dan tabung venturimeter. Pengukuran laju aliran ini dilakukan secara langsung setelah eksperimen pertama (penentuan hubungan tegangan keluaran detektor terhadap tekanan). Hal tersebut perlu dilakukan karena dengan sedikit pergeseran pemasangan alat yang digunakan akan sangat berpengaruh pada data yang dihasilkan. Data yang diperoleh berupa: debit yang terukur pada flowmeter dan tegangan listrik untuk kedua membran.
32 Gambar 3.4. Multimode fiber coupler dan tabung venturi sebagai sensor laju aliran fluida zat cair Tegangan keluaran yang terbaca pada voltmeter V r sebagai representasi tekanan pada membran di inlet tabung venturi (leher kecil r ). Demikian pula tegangan keluaran pada voltmeter V R sebagai representasi tekanan pada membran di throat tabung venturi (leher besar R ). Tabung venturi yang digunakan terdapat 4 macam berdasarkan ukuran jari-jari penampang besar / inlet (R) dan jari-jari penampang kecil / throat (r), yaitu sebagai berikut: 1. Tabung venturi 1 : R 1 = 18 mm dan r 1 = 9 mm 2. Tabung venturi 2 : R 2 = 16 mm dan r 2 = 8 mm 3. Tabung venturi 3 : R 3 = 13 mm dan r 3 = 6,5 mm 4. Tabung venturi 4 : R 4 = 18 mm dan r 4 = 8,35 mm
33 Gambar setiap tabung dapat dilihat pada gambar di Lampiran 8. Setiap tabung venturi tedapat dua membran yang terpasang pada inlet dan throat tabung venturi. Sedangkan laju aliran yang dicari besarnya adalah laju aliran air dalam pipa berjarijari dalam 6,25 mm. Ukuran pipa ini sama dengan ukuran pipa sebelum air masuk tabung venturi dan sesudah air keluar dari tabung venturi. Pompa air yang digunakan dapat divariasikan laju alirannya sehingga dapat digunakan untuk memperoleh beberapa kecepatan. 3.6. Analisis Data Pengukuran kecepatan laju air menggunakan directional coupler serat optik pada dasarnya adalah penerapan directional coupler serat optik sebagai sensor pergeseran. Pada air yang mengalir, pergeseran cermin pada membran terjadi akibat adanya tekanan air dari belakang membran. Pada perlakuan tersebut terlebih dahulu kita harus mengetahui karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin kemudian dicari daerah linier dan faktor konversi tegangan ke tekanan yang memenuhi persamaan V = a P + b dengan V, a atau b, dan P berturut-turut adalah tegangan keluaran detektor, faktor konversi tegangan ke pergeseran dan tekanan. Persamaan tersebut digunakan sebagai persamaan konversi untuk masing-masing membran. Grafik tegangan keluaran detektor sebagai fungsi dari tekanan pada membran tersebut dicari daerah yang diperkirakan merupakan daerah linier yang kemudian diuji dengan menggunakan persamaan garis linier, sehingga diperoleh koefisien korelasi (R²). Jika nilai koefisien korelasi (R²) semakin mendekati 1, maka hubungan
34 antara data daya optik terhadap tegangan keluaran detektor adalah linear. Persamaan yang diperoleh tersebut digunakan sebagai persamaan konversi laju aliran. Data tegangan keluaran detektor yang diperoleh pada eksperimen kedua selanjutnya digunakan untuk mengubahnya menjadi data tekanan pada setiap membran. Setelah tekanan masing-masing membran diketahui maka dapat dicari selisih tekanan dan dapat ditentukan laju aliran dengan persamaan 2.20. Perbandingan hasil kecepatan fluida berdasarkan penggunaan venturi dan flowmeter pabrik menggunakan uji Dunnet. Uji Dunnet merupakan uji dalam bidang statistik yang merupakan tools dari program SPSS (Statistical Product add Survice Solutions) yang digunakan untuk membandingkan sebuah data perlakuan dengan pengontrolnya. Pada penelitian ini, data perlakuan adalah data hasil laju aliran dari tabung venturi sedangkan data pengontrol adalah data hasil laju aliran dari flowmeter. Perbandingan menggunakan uji Dunnet untuk melihat perbandingan data laju aliran dari setiap tabung venturi (multiple comparisons). Perbandingan tersebut dilakukan untuk mengetahui tabung venturi mana yang paling baik digunakan. Sebelum digunakan uji Dunnet terlebih dahulu digunakan uji normalitas data dengan mengunakan uji Kolmogorov-Smirnov. Hal tersebut dilakukan karena syarat utama sebelum data dapat di uji dengan uji Dunnet adalah dalam keadaan ternormalisasi. Hasil yang diambil dari uji Dunnet adalah nilai signifikan dan nilai rata-rata perbedaan antara perlakuan dengan pengontrolnya. Dari hasil tersebut, jika nilai signifikan lebih besar dari 0,05 maka data yang diuji diterima akan tetapi jika hasilnya kurang dari 0,05 maka data tidak diterima. Sedangkan untuk nilai rata-rata
35 perbedaan antara perlakuan dengan pengontrolnya, jika hasil yang didapatkan mendekati nilai 0 maka data yang diuji mendekati hasil pengontrolnya. Untuk menentukan nilai signifikan pada uji Dunnet dengan menggunakan Persamaan: 3.1 dengan nilai t-dunnet ( ), taraf nyata ( ), banyaknya perlakuan yang akan dibandingkan, tidak termasuk kontrol (p), derajat bebas galat (db), Kuadrat Tengah Galat (KTG) dan banyaknya pengamatan (r). Jika kontrol - perlakuan > dari nilai signifikan maka data yang di uji berbeda nyata sedangkan jika kontrol - perlakuan nilai signifikan maka data yang di uji tidak berbeda nyata. Uji tersebut juga diperoleh rata-rata kesalahan (mean difference) untuk masing-masing tabung venturi. Masing-masing tabung venturi dapat ditentukan yang paling baik dengan melihat mean difference tabung venturi. Tabung venturi yang paling baik digunakan adalah yang memiliki besar mean difference paling kecil. Untuk mengetahui performa dari kinerja sensor multimode fiber coupler dan tabung venturi sebagai sensor laju aliran fluida, maka dapat diketahui melalui jangkauan dan kecepatan terkecil yang terukur.