BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam Bab IV ini akan dipaparkan hasil penelitian aplikasi multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu dengan menggunakan probe baja. Terdapat dua hasil penelitian, yang pertama yaitu hasil karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin berupa plot grafik data. Grafik kedua yaitu grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam baja untuk masingmasing logam dengan diameter 3 mm, 4 mm, dan 5 mm. Pada bab ini juga disertai dengan analisis dan pembahasan dari hasil penelitian. Analisis berupa grafik linier dari hasil penelitian. Pada bagian akhir dari bab ini juga di sertai dengan karakteristik sensor temperatur mengggunakan fiber coupler dengan logam baja sebagai probe. 4.1 Hasil Penelitian 4.1.1 Hasil Karakterisasi pergeseran cermin terhadap port sensing Hasil penelitian karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin menghasilkan data yang diperlihatkan pada lampiran 1 dan plot grafik karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin dapat dilihat pada Gambar 4.1. 40
41 Tegangan Keluaran Detektor (volt) 14 12 10 8 6 4 2 0 Karakterisasi Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Pergeseran Cermin 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Pergaseran Cermin (µm) Gambar 4.1. Grafik karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin 4.1.2 Karakterisasi multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu Hasil tegangan keluaran detektor terhadap perubahan suhu logam baja untuk logam dengan diameter 3 mm, diameter 4 mm, dan diameter 5 mm di perlihatkan pada lampiran 2, lampiran 3, dan lampiran 4. Sedangkan plot grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan suhu logam baja dapat dilihat pada Gambar 4.2, Gambar 4.3, dan Gambar 4.4. Tegangan Keluaran detektor (V) Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diamete 3 mm 7.2 7 6.8 6.6 6.4 6.2 6 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Suhu (ºC) Gambar 4.2. Grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam Baja diameter 3 mm
42 Tegangan Keluaran Detektor (V) Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diameter 4 mm 8.6 8.4 8.2 8 7.8 7.6 7.4 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Gambar 4.3. Grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam Baja diameter 4 mm Tegangan Keluaran Detektor (V) Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diameter 5 mm 7 6.5 6 5.5 5 18 38 58 78 98 118 138 158 178 198 Gambar 4.4. Grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam Baja diameter 5 mm Dari hasil penelitian di peroleh juga data respon waktu (respon time), yaitu waktu yang di perlukan oleh logam baja untuk merespon perubahan suhu(dari keadaan panas ke keadaan dingin).diperlihatkan dalam Tabel 4.1
43 Tabel 4.1. respon waktu dari probe baja Logam baja diameter Rentang Suhu ( C) Waktu (S) Respon waktu (S/ C) 3 mm 224-20 568 2,5 4 mm 210-20 750 3,9 5 mm 202 18 1245 6,7 4.2. Analisa dan Pembahasan 4.2.1 Karakterisasi pergeseran cermin terhadap port sensing Seperti dijelaskan pada prosedur kerja, hal pertama yang dilakukan adalah menentukan karakteristik pergeseran port sensing terhadap pergeseran cermin. Tujuan dari karakterisasi ini adalah mencari daerah linier tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin. Dari data hasil penelitian karakterisasi tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin pada Gambar 4.1 menghasilkan plot data yang tidak linier. Dalam hal ini posisi cermin terhadap port senisng harus linier atau berbanding lurus, sehingga dapat diketahui daerah kerja sensor tersebut dan karakteristik dari sensor. Plot grafik daerah linier tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin beserta hasil dari regresi liniernya terdapat pada Gambar 4.5.
44 Tegangan Keluaran Detektor (volt) 12 10 8 6 4 2 0 Grafik Karakterisasi Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Pergeseran Cermin y = -0.0078x + 11.067 R² = 0.9921 0 200 400 600 800 Pergaseran Cermin (µm) Gambar 4.5. Grafik daerah linier tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin Plot grafik pada Gambar diatas, menunjukkan persamaan regresinya v = -0.078z + 12.50 dan R² = 0.993. Nilai koefisiean korelsasi tersebut mendekati 1, yang menandakan hubungan antara tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran cermin adalah linier. Daerah linier dari sensor berkerja yaitu dari 20 µm sampai 760 µm yang menandakan bahwa sensor tersebut dapat berkerja secara baik dalam rentang nilai tersebut. Rentang daerah tersebut, didapatkan posisi port sensing terhadap cermin yang digunakan dalam eksperimen karakterisasi multimode fiber coupler sebagai sensor suhu. Daerah linier tersebut didapatkan dengan cara memplot data bagian atas dan memotong bagian bawah Grafik 4.1, karena pada daerah tersebut memiliki nilai sensitivitas yang tinggi. Hasil plot grafik yang diperoleh menunjukkan bahwa grafik bersifat back slope. Dapat terlihat dari data hasil yang menurun secara signifikan dan berkala. Semakin besar nilai pergeseran cermin (semakin jauh jarak cermin terhadap port sensing), semakin kecil intensitas yang di
45 pantulkan oleh cermin sehingga nilai tegangan keluaran detektor semakin rendah. Hal tersebut sesuai dengan konsep dari sensor pergeseran yang berbasis pada modulasi intensitas, yaitu perubahan daya optik yang diterima oleh detektor terjadi akibat pergeseran obyek. 4.2.2 Karakterisasi multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu Pada eksperimen multimode fiber coupler sebagai sensor suhu diperoleh tiga data tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam baja. Plot grafik linieritas tegangan keluaran detector terhadap suhu logam baja pertama logam baja masing-masing ditunjukkan dalam Gambar 4.7, Gambar 4.8, dan Gambar 4.9. Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diameter 3 mm Tegangan Keluaran Detektor (V) 7.14 6.94 6.74 6.54 6.34 6.14 52 72 92 112 132 152 172 192 212 Suhu (ºC) V = 0.005T + 5.955 R² = 0.992 Linear () Gambar 4.6. Grafik linier tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperature logam baja diameter 3 mm
46 Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diameter 4 mm Tegangan Keluaran Detektor (V) 8.6 8.4 8.2 8 7.8 7.6 54 74 94 114 134 154 174 194 Suhu ( C) v = 0.004xT+ 7.515 R² = 0.999 Linear () Gambar 4.7. Grafik linier tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam baja diameter 4 mm Tegangan Keluaran Detektor (V) 6.4 6.3 6.2 6.1 6 5.9 5.8 Grafik Tegangan Keluaran Detektor Terhadap Perubahan Temperatur Logam Baja diameter 5 mm 94 102 110 118 126 134 142 150 158 166 174 182 Suhu ( C) V = 0.005T + 5.343 R² = 0.980 Linear () Gambar 4.8. Grafik tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam Baja diameter 5 mm Pada Gambar 4.6, di dapatkan persamaan regresi linier v = 0.005T+5.955 dan koefisien korelasi R² = 0.99. Gambar 4.7. di peroleh persamaan regresi linier v = 0.004T + 7.515 dengan koefisien korelasi R² = 0.999, sedangkan pada Gambar
47 4.8 di dapatkan persamaan regresi linier v = 0.005T+5.313 dan koefisien korelasi R² = 0.984. Berdasarkan grafik tersebut dapat terlihat bahwa intensitas berkas cahaya pantulan dari cermin yang ditangkap oleh detektor pada port deteksi, menghasilkan tegangan keluaran detektor yang berbanding lurus dengan perubahan temperatur dilingkungan sekitar logam baja yang dipanaskan. Hal tersebut dikarenakan sifat dari logam apabila dikenai suatu panas maka logam tersebut akan mengalami pemuaian atau bertambah panjangnya logam, karena terjadi peningkatan getaran termal atomatom. Sehingga menghasilkan hubungan pertambahan panjang yang sebanding dengan kenaikan suhu, yang sesuai dengan persamaan 2.48. Pertambahan panjang logam menyebabkan tegangan keluaran detektor semakin membesar. Hal tersebut menunjukkan bahwa multimode fiber coupler telah berkerja dengan baik sebagai sensor suhu. Plot grafik linieritas tersebut, dapat diketahui pula karakteristik dari sensor. Karakteristik berupa resolusi sensor, jangkuan sensor, daerah linier, sensitivitas sensor, dan respon time sensor. Resolusi sensor merupakan batas ukur terendah yang dapat terdeteksi atau terbaca oleh sensor tersebut. Untuk logam dengan diameter 3mm, 4mm, dan 5 mm nilai resolusinya adalah 2 C. Karena setiap kenaikan suhu 2 C, tegangan detektor juga mengalami kenaikan. Pada Grafik diperoleh jangkuan dari sensor berkerja, untuk logam diameter 3 mm, 4 mm, 5 mm setiap pergeseran 2 C tegangan yang terbaca oleh detektor masing-masing yaitu 20 C - 224 C, 20 C - 210 C, dan 18 C - 202 C. Rentang nilai dari jangkuan tersebut menandakan adanya pemuaian dari logam yang dipanaskan. Hal tersebut berhubungan dengan ekspansi linier dari bahan yang
48 digunakan. Dalam penelitian ini menggunakan bahan baja sebagai probe, nilai koefisien muai dari baja cukup rendah menyebabkan semakin tinggi daya tahan bahan tersebut dalam menerima perubahan temperatur. Pernyataan tersebut menyebabkan logam sulit atau mempunyai waktu yang lama untuk memuai. Daerah linier diperoleh dengan dengan cara menentukan nilai yang linier (mengeliminasi) data tegangan keluaran detektor, sehingga didapatkan hubungan semakin tinggi suhu semakin besar atau naik nilai tegangannya. Pada logam baja diameter 3mm, 4mm, 5 mm daerah linier nya masing-masing adalah 52 C - 212 C, 60 C - 210 C, 80 C - 180 C. Daerah linier menandakan pada rentang nilai tersebut sensor dapat berkerja secara baik. Sensitivitas sensor didapatkan dari slope grafik linier tegangan keluaran detektor terhadap perubahan temperatur logam baja. Nilai sensitivitas untuk logam dengan diameter 3mm, 4mm, 5mm masing-masing adalah 0,005 V/ C, 0,004 V/ C, 0,005 V/ C. sensitivitas memperlihatkan, dengan variasi diameter logam meghasilkan nilai yang stabil atau tidak terlalu jauh perbedaannya. Hal tersebut menandakan bahwa rata-rata sensitivitas sensor memiliki tingkat sensitivitas yang sama. Nilai sensitivitas sensor tersebut menandakan bahwa sensor dapat mendeteksi perubahan 0,005 V setiap perubahan suhu sebesar 1 C. Waktu relaksasi bahan dan respon time sensor dapat diperoleh juga dari data plot grafik. Waktu relaksasi bahan adalah waktu yang dibutuhkan oleh logam untuk kembali dari suhu maksimal (pada saat dipanaskan) sampai pada kondisi awal (sebelum dipanaskan). waktu relaksasi, dapat menghasilkan respon time sensor. Respon time sensor didapatkan dari pembagian suhu maksimal logam baja pada saat dipanaskan dengan waktu pendinginan logam. Untuk diameter 3 mm, 4mm, 5 mm
49 didapatkan masing-masing adalah 2,5 s/ C, 3,9 s/ C, dan 6,7 s/ C. Hasil data respon time menunjukkan, bahwa semakin kecil diameter logam baja semakin cepat waktu untuk merespon perubahan suhu. Sesuai dengan teori perpindahan panas suatu bahan. Perpindahan panas merupakan perpindahan thermal yang disebabkan karena adanya perbedaan temperature dan panas yang mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Perpindahan panas secara konduksi yang terjadi dari suatu bagian ke bagian lain dalam suatu benda padat yang mempunyai perbedaan temperatur pada kedua sisinya terdapat di bagian dalam logam. Proses perpindahan konduksi apabila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel yang energinya lebih tinggi. Pada saat logam belum dikenakan perlakuan panas, atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada saat ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian tersebut atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin besar. Atom dan elektron tersebut bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Proses tersebut berlangsung hingga pada atom dan elektron pada ujung logam di sisi lain. hasil yang diperoleh menunjukkan, multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu dengan probe baja memiliki performasi yang cukup baik. Hal tersebut terbukti dengan jangkuan yang cukup besar apabila dibandingkan, dengan sensor suhu dengan menggunakan probe alumunium (Ismiatun, 2011), probe tembaga (Yuliatin,2011) dan pemanfaatan sifat muai Fiber Bragg Grating (FBG) akibat perubahan suhu sebagai sensor suhu (Honygun, 2010).
50 Sensitivitas dari sensor memperlihatkan nilai yang stabil, menandakan sensor berkerja baik dengan diameter berbeda. Kekurangan dari sensor ini memiliki nilai resolusi yang besar apabila dibandingkan dengan probe aluminium. Prinsip kerja sensor suhu ini tergolong sederhana, dan mudah penerapannya apabila dibandingkan dengan penggunaan single-crystal ruby fiber sebagai probe yang memiliki treatmen tergolong sulit (H.C. Seat dkk, 2002). Rancang bangun sensor suhu berbasis sensor pergeseran menggunakan fiber coupler sangat menjanjikan untuk dikembangkan sebagai piranti ukur suhu dan difabrikasi. Pemrosesan data yang sangat mudah karena berupa sinyal tegangan keluaran detektor berupa tegangan listrik dan sensor ini dapat digunakan secara tuneable. Karakteristik multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu dengan menggunakan probe baja dapat di tunjukkan dalam Tabel 4.2. Tabel 4.2. Karakteristik multimode fiber coupler sebagai sistem sensor suhu dengan probe baja Logam dengan diameter Resolusi ( C ) Jangkuan ( C ) Daerah linier ( C ) Sensitivitas (V/ C ) Respon time (s/ C ) 3 mm 2 20-224 52-212 0,005 2,5 4 mm 2 20 210 60-210 0,004 3,9 5 mm 2 18 202 80-180 0,005 6,7