J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3, Hal.: 251-256 ISSN 1978-1873 ABSTRACT APLIKASI SENSOR FOTODIODA PADA VISKOMETER METODE BOLA JATUH BERBANTUKAN KOMPUTER Arif Surtono* dan Eko Susanto Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 *Alamat untuk surat menyurat e-mail: arifs@unila.ac.id Diterima 28 Agustus 2007, perbaikan 10 Desember 2007, disetujui untuk diterbitkan 27 Desember 2007 The measurement of viscosity with falling ball methods has three disadvantages i.e 1) mistaken in observing of the moving ball due to parallax error, 2) fatigue on observers eye and 3) inaccuracy in recording the interval time of falling ball since asynchronous of moving ball observed and time record. This research aims to complete and develop the measurement of fluid viscosity using falling ball methods. The development of the instrument by the use of photodiode sensor coupling with pointer laser as time detector that capable to measure time interval up to millisecond. The development of instrument using personal computer to measure and calculate the viscosity value so the data can be obtained directly and displayed on the computer monitor in real time. The testing of the instruments has been applied to three different palm and machine oils with different in density. This results showed that the design of the viscometer worked properly in measuring the sample viscosity of palm and machine oils with more consistence and small deviation than the manual measurement. This viscometer is able to be used to measure the fluid viscosity with opaque degree equal to a mixture of 20 ml of water and 0,08 ml of ink (about 4 drop inks), in which the photodiode current produced was 9.25 ma. Keywords: photodiode, viscosity, falling ball method and computer 1. PENDAHULUAN Viskositas adalah kuantitas yang menggambarkan resistansi per satuan luas suatu zat cair untuk dapat mengalir 1,2,3). Viskositas juga menggambarkan ukuran kekentalan suatu zat cair 2). Semakin besar nilai viskositas suatu zat cair maka semakin besar pula kekentalan cairan tersebut. Alat pengukur viskositas suatu cairan dinamakan viskometer (viscometer). Zat yang biasa diukur viskositasnya seperti oli pelumas mesin, produk susu, cat, air minum, darah 4,5), minyak goreng atau sirup 5). Ini berarti tidak sedikit bidang profesi yang membutuhkan data viskositas, diantaranya fisikawan, kimiawan, analis kimia industri, dokter, kimia farmasi, kimia lingkungan, perminyakan, biokimia dan sebagainya 6). Ada beberapa metoda yang digunakan untuk mengukur viskositas yaitu metoda bola jatuh (falling ball) 7), bola bergulir (rolling ball), pipa kapiler, rotasi silinder kosentris (Couette), rotasi kerucut-plat, pelat paralel dan Ford-cup 8). Selain itu juga dikenal metode spektroskopik untuk mengukur viskositas zat alir 9). Tetapi diantara metoda-metoda tersebut, metoda bola jatuh merupakan metoda yang sering digunakan dalam praktikum mahasiswa atau penelitian-penelitian karena kesederhanaan instrumennya maupun konsep fisikanya 2). Prinsip pengukuran viskositas metode bola jatuh ialah dengan cara mengukur kecepatan bola pejal jatuh di dalam cairan uji. Dengan terlebih dulu diketahui data jari-jari bola, massa jenis bola, massa jenis cairan dan percepatan gravitasi maka viskositas cairan dapat dihitung. Kecepatan bola jatuh diketahui dengan cara mencatat waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak tertentu 10). Syarat penting yang harus dipenuhi selama eksperimen adalah bola di dalam cairan uji jatuh dengan kecepatan konstan atau dikatakan percepatannya nol. Jika syarat tersebut dipenuhi maka besarnya gaya viskos dan gaya apung yang bekerja pada bola pejal adalah sama dengan gaya beratnya, sehingga nilai viskositas zat cair dapat dihitung 8,10). Tetapi kelemahan utama aplikasi metode bola jatuh adalah: 1) kesalahan dalam pengamatan gerak bola akibat tidak lurus pandangan (kesalahan paralak), 2) kelelahan atau kerusakan mata pengamat, 3) ketidakakuratan dalam mengukur waktu tempuh bola jatuh karena tidak serempaknya pengamatan bola dan pengamatan pencatatan waktu. Alhasil, data kecepatan bola jatuh yang diukur tidak akurat sehingga nilai viskositas yang diukur juga tidak akurat. 2007 FMIPA Universitas Lampung 251
Arif Surtono dan Eko Susanto... Aplikasi Sensor Fotodioda pada Viskometer Penelitian ini dilakukan dengan tujuan utama adalah menyempurnakan atau memperbaiki sistem pengukur interval waktu dan mengembangkan cara pengukuran (perhitungan) viskositas metode bola jatuh berbantukan komputer sehingga dapat diperoleh data viskositas secara otomatis dan akurat. Penyempurnaan alat dilakukan dengan memanfaatkan sensor fotodioda sebagai detektor pencatat waktu sehingga ketelitian pengukuran waktu diharapkan dapat mencapai skala milidetik. Sedangkan pengembangan alat berupa pengukuran dan perhitungan viskositas dikerjakan oleh komputer yang hasilnya ditampilkan langsung di layar monitor. Pada penelitian ini sensor fotodioda dapat diantarmukakan (interfacing) dengan komputer menggunakan port paralel 10). Karena fotodioda merupakan sensor cahaya maka cairan yang diukur viskositasnya harus tembus cahaya. Ini berarti alat yang akan dibuat terbatas untuk mengukur viskositas zat cair yang tembus cahaya, khususnya cahaya laser yang digunakan sebagai sumber cahaya dalam penelitian ini. 2. METODE PENELITIAN Ketika sebuah bola pejal dijatuhkan ke dalam cairan uji maka pada bola itu terdapat tiga gaya yang bekerja padanya, yaitu 10) : Gaya Viskos, disebabkan oleh gesekan antara molekul zat cair dengan permukaan bola yang disebut dengan gaya Stokes Fs. Arah gaya Stokes ini ke atas melawan gerak bola yang dirumuskan dengan Persamaan (1): Fs = 6 r (1) dengan r = jejari bola dan = kecepatan gerak bola jatuh. Gaya apung, disebabkan oleh massa fluida yang dipindahkan oleh bola. Gaya ini oleh Archimedes dirumuskan dengan Persamaan (2): Fa = 4/3 r 3 g (2) dengan r = jejari bola, = massa jenis fluida dan g = percepatan gravitasi. Gaya berat, disebabkan oleh tarikan gravitasi bumi. Gaya berat ini oleh Newton dirumuskan sebagai Persamaan (3): Fw = m g = 4/3 r 3 g (3) dengan m = massa bola, = massa jenis bola dan r = r. Ketiga gaya tersebut bila digambarkan keadaanya di dalam zat cair (fluida) seperti terlihat pada Gambar 1. Fa Fs bola besi Fw Fluida Gambar 1. Gaya-gaya pada bola di dalam fluida 9) Ketika bola telah mencapai kecepatan akhir konstan v maka jumlah gaya viskos Fs sama dengan gaya berat Fw bola. Secara matematis keadaan ini dinyatakan sebagai Persamaan (4): Fs + Fa = FW (4) Substitusi Persamaan 1, 2 dan 3 ke persamaan 4 diperoleh viskositas zat cair seperti Persamaan (5): 2r 2 g ' (5) 9v Koefisien viskositas biasa disebut viskositas zat cair. Satuan viskositas dinyatakan dengan Pascal second (N s/m 2 ) atau Poise (dyne s/cm 2 ). Biasanya satuan viskositas juga dinyatakan dengan centipoise (cp) yaitu seperseratus Poise 1,2). Perangkat instrumen viskosimeter rancangan penelitian ini seperti diagram blok padagambar 2. Prinsip kerja alat sesuai Gambar 2 sebagai berikut: ketika bola baja dijatuhkan/dimasukkan ke dalam tabung uji, cahaya laser bagian atas terhalang oleh bola sehingga sensor fotodioda mendeteksi perubahan keadaan ini. Pada saat itu komputer membaca perubahan tegangan melalui port parallel (pin12, register status) dan cacahan waktu dimulai. Ketika bola besi di dalam 252 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3 cairan jatuh hingga menghalangi cahaya laser bagian bawah, maka sensor fotodioda kedua mendeteksi perubahan keadaan lagi dan komputer membacanya melalui port paralel (pin13, register status). Perubahan keadaan tersebut memerintahkan komputer menghentikan cacahan waktu. Besarnya angka cacahan yang dibaca komputer dikalikan dengan delay cacahan yang diatur melalui program komputer maka dihasilkan waktu bola jatuh dari sensor pertama ke sensor kedua. Selanjutnya kecepatan bola jatuh untuk jarak 12 cm antar dua sensor tersebut dapat diperoleh. Nilai viskositas cairan dihitung secara otomatis oleh komputer menggunakan persamaan 4 setelah memasukkan konstanta densitas cairan, densitas bola baja, percepatan gravitasi (9,8 m/s 2 ) dan jejari bola baja. Bola baja yang digunakan memiliki massa sebesar m = 14 g dan jejari bola r = 7,5 mm. laser (Transmitter) laser (Transmitter) L a r u t a n s a m p e l Sensor (receiver) Sensor (receiver) Port Paralel komputer Gambar 2. Diagram blok rancangan viskosimeter Rangkaian pengkondisi sinyal sensor fotodioda sebagai detektor interval waktu diantarmukakan (interface) ke komputer melalui port printer pada pin 12 dan 13 seperti Gambar 3. 12V 1k + LASER1 Sensor1 12V +V 1k 550 TR1 NPN 12VSPDT Relay1 15 12V 1k + LASER2 Sensor2 12V +V 10 11 12 13 25 1k 550 TR2 Relay2 NPN 12VSPDT Gambar 3. Rangkaian pengkondisi sinyal fotodioda dan interface komputer 2007 FMIPA Universitas Lampung 253
Arif Surtono dan Eko Susanto... Aplikasi Sensor Fotodioda pada Viskometer Fotodioda (dirangkai mode fotodioda, bias reverse) dalam kondisi normal menerima cahaya laser sehingga menghasilkan arus foto mengalir menuju basis transistor. Transistor berfungsi sebagai saklar elektronik murni sehingga ketika ada sinyal arus foto menuju basis, antara kolektor dan emitor transistor terhubung singkat dan arus listrik dari sumber tegangan 12V dapat mengalir menuju koil relay. Karena koil relay teraliri arus listrik maka pin 12 atau pin 13 menjadi terhubung dengan ground. Sedangkan ketika bola menghalangi cahaya laser pada fotodioda maka tidak dihasilkan arus foto sehingga transistor bersifat terbuka dan relay tidak diaktifkan (normaly open). Akibatnya pin 12 dan 13 tidak terhubung dengan ground. Perubahan kondisi pada pin 12 dan 13 ini selanjutnya akan mengubah isi register status yang dapat dibaca melalui alamat 379H 11). 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan program Turbo Pascal, isi register status (alamat 379H) dapat dibaca pada berbagai keadaan pin 12 dan pin 13 seperti Tabel 1 berikut ini. Tabel 1. Isi register status menurut keadaan pin 12 dan pin 13 yang terhubung dengan sensor Kondisi Desimal Data Biner S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 (p12) (p13) Kedua sensor terhalang bola 182 1 0 1 1 0 1 1 0 Kedua sensor tak terhalang bola 134 1 0 0 0 0 1 1 0 Sensor 1 terhalang bola 166 1 0 1 0 0 1 1 0 Sensor 2 terhalang bola 150 1 0 0 1 0 1 1 0 Dari data pembacaan isi register status tabel 1 jelaslah bahwa nilai desimal atau data biner memiliki nilai unik untuk setiap keadaan kedua sensor yang dibaca melalui pin 12 dan pin 13 port paralel. Hasil ini dapat digunakan sebagai acuan keadaan yang dibaca komputer kapan cacahan waktu dimulai dan dihentikan. Dalam penelitian ini hanya dua keadaan utama yang digunakan, yaitu sensor 1 terhalang bola dan sensor 2 terhalang bola. Sehingga untuk mendeteksi waktu tempuh bola jatuh di dalam cairan, komputer cukup membaca isi register status apakah sudah bernilai desimal 166 atau 150. Ketika isi register status bernilai 166 maka cacahan waktu dimulai dan ketika isi register status bernilai 150 cacahan waktu berhenti. Pengujian pada variasi tingkat kepekatan dilakukan dengan cara menetesi 20 ml air bening (pada tabung) dengan tinta setetes demi setetes menggunakan pipet. Pengujian kemampuan alat dilakukan dengan mengukur arus foto yang dihasilkan pada beberapa tingkat kepekatan sampel dan mengamati kemampuan transistor mengaktifkan (mensaklar) relay, seperti terangkum pada Tabel 2. Tabel 2. Arus foto pada tingkat kekeruhan berbeda Tinta (tetes) Arus (ma) Keadaan transistor 0 11,55 1 11,45 2 11,32 3 11,17 4 9,25 5 6,50 6 3,02 7 1,16 8 0,58 9 0,36 10 0,31 254 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3 Berdasarkan Tabel 2 diperoleh bahwa viskometer mampu mengukur viskositas cairan hingga tingkat kepekatan setara dengan 20 ml air + 4 tetes (0,08 ml) tinta. Visualisasi tingkat kepekatan tertinggi yang dapat dideteksi alat seperti bagian D gambar 4 di bawah ini. Gambar 4. Tingkat kepekatan yang diujikan pada viskometer Pengukuran waktu tempuh bola jatuh diujikan pada sampel minyak goreng dan oli pelumas yang berbeda-beda densitasnya. Hasil pengukuran dibandingkan antara pengukuran secara manual dan pengukuran menggunakan alat viskometer hasil rancangan seperti Tabel 3. Tabel 3. Perbandingan pengukuran waktu tempuh bola jatuh pada jarak 12 cm Sampel Pengukuran waktu tempuh (s) Massa Jenis ( ) Manual Viskometer (kg/m 3 ) Minyak goreng tipe 1 886,250 2.660 ± 0.786 2.638 ± 0.009 Minyak goreng tipe 2 877,250 2.416 ± 0.308 2.582 ± 0.002 Minyak goreng tipe 3 877,250 2.630 ± 0.130 2.652 ± 0.002 Oli tipe 1 (SAE 40) 876,250 5.738 ± 0.159 5.914 ± 0.038 Oli tipe 2 (SAE 15W-14) 1013,750 4.148 ± 0.173 4.138 ± 0.088 Oli tipe 3 951,250 4.570 ± 0.828 4.686 ± 0.010 Hasil pengukuran interval waktu bola jatuh seperti Tabel 3 menunjukkan bahwa alat viskometer mampu mengukur waktu lebih konsisten dan ralat lebih kecil dibanding dengan pengukuran secara manual (menggunakan stopwatch handphone). Persentase kesalahan rata-rata pengukuran waktu menggunakan alat sebesar 0,680 % dan secara manual sebesar 14,471 %. Hasil ini sangat berpengaruh terhadap keakuratan pengukuran viskositas sampel karena merupakan fungsi kecepatan bola jatuh. Tabel 4. Perbandingan pengukuran viskositas sampel uji Sampel Pengukuran viskositas (N s/m 2 ) Manual Viskosimeter Minyak goreng tipe 1 18.7265 ± 0.7161 18.5715 ± 0.3248 Minyak goreng tipe 2 17.0455 ± 0.9306 18.2000 ± 0.3176 Minyak goreng tipe 3 18.5610 ± 0.9804 18.6934 ± 0.3165 Oli tipe 1 (SAE 40) 40.5586 ± 1.1775 40.8960 ± 0.3497 Oli tipe 2 (SAE 15W-40) 28.7130 ± 1.0223 28.6051 ± 0.6915 Oli tipe 3 31.9636 ± 1.1161 32.6857 ± 0.3242 2007 FMIPA Universitas Lampung 255
Arif Surtono dan Eko Susanto... Aplikasi Sensor Fotodioda pada Viskometer Untuk pengukuran viskositas cairan, Tabel 4 berikut ini adalah perbandingan antara hasil pengukuran viskositas menggunakan alat dan hasil secara manual yang dihitung sesuai dengan Persamaan 4. Pengukuran viskositas juga dilakukan sebanyak 5 kali. Berdasarkan data pengukuran tabel 4 diatas dapat dikatakan bahwa alat viskometer hasil rancangan mampu mengukur viskositas sampel lebih akurat, ajeg dan ralat lebih kecil dibanding dengan pengukuran secara manual. Persentase kesalahan rata-rata pengukuran viskositas menggunakan alat sebesar 1,5517 % dan secara manual sebesar 3,8478 %. Hasil ini dipengaruhi oleh keakuratan hasil pengukuran waktu tempuh bola jatuh sebelumnya. 4. KESIMPULAN Sesuai hasil penelitian yang telah diperoleh maka dapat disimpulkan bahwa: (1) Port paralel komputer melalui register status dapat digunakan untuk akuisisi data berupa perubahan dua keadaan yang berbeda dari perangkat luar; (2) Sensor fotodioda yang dirangkai dalam pengkondisi sinyal bersama sistem saklar transistor dapat digunakan sebagai sistem pendeteksi interval waktu yang akurat dan teliti; (3) Viskosimeter metode bola jatuh menggunakan fotodioda sebagai detektor pencatat waktu mampu mengukur viskositas sampel minyak goreng dan oli pelumas lebih akurat, ajeg dan ralat lebih kecil dibanding dengan pengukuran secara manual. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Pemerintah melalui Dirjen Dikti yang telah membiayai sepenuhnya penelitian ini pada Program Penelitian Dosen Muda Dikti Tahun Anggaran 2006. Ucapan terimakasih juga kami sampaikan kepada Kepala Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA Unila yang telah menyediakan sarananya selama menyelesaikan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA 1. Mekawy, M., Afifi, H., and El-Nagar, K. 2003. Comparison between Methods for Visosity Measrements. Fifteenth Symposium on Thermophysical Properties. June 22-27. Boulder. Colorado. USA. 2. Elert, G. 2007. Viscosity: The Physics Hypertextbook TM, http://hypertextbook.com/physics/matter/viscosity 3.Anonymous. 2007. Viscosity. http://www.questia.com.library/encyclopedia/viscosity.jsp 3. Iii, C.A., Pope, Hansen, M.L., Long, R.W., Nielsen, K.R, Eatough, N.L., Wilson, W.E., and Eatough, D.J. Environmental Health Perspectives. Vol. 112. Pp. 200-208. 4. Sorensen, M., Daneshvar, B., Hansen, M., Dragsted, L.A., Hertel, O., Knudsen, L., Loft, S. Personal Exposure and Markers of Oxidative Stress in Blood. Environmental Health Perspectives. Vol. 111. Pp. 45-48. 5. Hasan, A.B., Abolarin, M.S., Nasir, A. and Mshelia, S.G. 2007, Fabrication and Testing of Viscosity Measuring Instrument (Viscometer). http://lejpt.academicdirect.org. 6. Flude, M.J.C., and Daborn, J.E. 1982. Viscosity Measurement by means of falling spheres compared with Capilary Viscosity. J. Phys. E. Sci. Instrum. Vol. 15. Pp. 1313-1321. 7. Walters, K. and Jones, W.N. 1996. Measurement of Viscosity. Instrumentation Reference Book. Butterwoth- Heineman. Oxford. 8. Schafer, G. and Schmidt, H.K. 2006, High throughtput Spectroscopic Viscosity Measurement of Nanocomposite Sol with ETC Effect. Journal of Science and Technology. Vol. 38. number 3. Pp. 241-244. 9. Zemansky, M.W. and Sears, F.W. 1991. University Physics, terjemahan Soerdajana dan Amir Achmad. Binacipta. Jakarta. 10. Surtono, A. 2006. Pendayagunaan Port Parallel Computer (Port Printer) Untuk Akuisisi Data Fisika Analog, Laporan Penelitian Proyek Pengembangan Diri PPD HEDS PROJECT. FMIPA Unila. Bandar Lampung. 256 2007 FMIPA Universitas Lampung