DAN KONSENTRASI SAMPEL

PERANCANGAN SENSOR ph MENGGUNAKAN FIBER OPTIK BERDASARKAN VARIASI KETEBALAN REZA ADINDA ZARKASIH NRP. 1107100050 DAN KONSENTRASI SAMPEL DOSEN PEMBIMBING : DRS. HASTO SUNARNO,M.Sc Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan alam Intitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Pendahuluan *Latar Belakang

*Tujuan Tujuan dari Tugas akhir ini adalah untuk menganalisis dan merancang sensor ph dengan menggunakan serat optik submikron berdasarkan variasi ketebalan dan konsentrasi sampel Perancangan sensor merupakan pengembangan penelitian sebelumnya Sensor ph berdasarkan variasi ketebalan dan konsentrasi sampel Sensor ini merujuk pada konsep absorpsi yang dinyatakan oleh Lumbert-Beer Larutan yang digunakan sebagai sampel adalah HCl,NaOH,Aquades, dan NH4OH

Tinjauan Pustaka ph Fototransistor ph Meter Lumber t Beer Serat optik sebagai sensor ph Karakteristik serat optik Snellius Serat optik Pemantula n dalam sempurna

ph Ukuran untuk menentukan sifat larutan asam, basa, dan netral Persamaan untuk menghitung ph larutan Untuk larutan asam nilai ph bernilai dibawah 7 Untuk larutan basa nilai ph bernilai diatas 7 H + dan OH - merupakan konsentrasi ion

Elektroda ph ph-meter Volt meter Referensi Jembatan garam Prinsip yang dimiliki ph meter adalah potensiometri dimana Potensiometri adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari pengukuran perubahan potensial dari elektroda untuk mengetahui konsentrasi dari suatu larutan. Elemen yang digunakan adalah : * elektroda acuan,pengukur (voltmeter),elektroda referensi/indikator, jembatan garam, dan larutan Elektroda acuan (ph) potensial yang dihasilkan (biasanya dalam mv) adalah berbanding lurus dengan konsentrasi ion hydrogen (H+) dalam larutan Elektroda referensi berguna untuk mempertahankan potensial secara konstan terlepas dari adanya perubahan ph atau aktivitas ionik lainnya dalam larutan jembatan garam pada sel referensi berguna untuk mempertahankan kontak listrik antara 2 elektroda selama proses pengukuran dalam ph berlangsung.

Serat optik sebagai sensor ph Serat optik dapat digunakan sebagai pengukuran ph.dimana penggunaan serat optik dalam kerjanya tidak terlalu dipengaruhi dengan arus listrik, memiliki keakuratan yang lebih baik, dan kemungkinan dapat melakukan penginderaan jarak jauh. Metode yang biasa digunakan adalah optrodes yaitu immobilisasi larutan yang berisi indikator ph diujung atau ditengah dibagian tengah dari satu atau lebih serat optik yang digunakan untuk menghubungkan cahaya indikator dan instrumentasi pengukuran. Penelitian ini menggunakan prinsip kerja berdasarkan hasil penyerapan cahaya yang diperoleh dengan mengubah-ubah ketebalan sampel larutan sesuai hukum Lumbert Beer

Hukum Snellius Garis normal Sudut bias Hukum Snellius ini dimodelkan secara Matematis sebagai berikut : n 1 sin ө 1 = n 2 sin ө 2 Bahan berindeks bias kecil Bahan berindeks bias besar Sinar cahaya Sudut datang

Pemantulan dalam Sempurna peristiwa dimana sebuah cahaya merambat menuju bidang perbatasan dengan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis, maka cahaya tersebut akan dipantulkan kembali (oleh bidang perbatasan) kedalam bahan pertama. Dalam hal ini bidang perbatasan di ibaratkan sebagai cermin. Garis normal Cahaya keluar dari bahan pertama Ketika sudut datang lebih besar dari sudut kritis Sudut kritis Pada sudut datang yang kurang dari sudut kritis cahaya dapat menembus bidang perbatasan Cahaya akan terpantul balik

Serat Optik serat optik terdiri dari tiga lapisan: inti(core),kulit(cladding), dan coating atau buffer (pelindung). Serat optik terdapat 3 jenis : serat optik moda tunggal (single mode), serat optik moda jamak step indeks (multimode step index), dan serat optik moda jamak graded indeks (multimode graded index) Multimode step index : Mudah terminasi, Kopling efisien,murah Multimode step index (palais, J - http://comes.umy.ac.id)

Jenis Serat Optik Kelebihan Kekurangan Single mode step index Dispersi minimum Bandwidth Lebar Sangat efisien NA kecil Sulit untuk terminasi Mahal Multimode index Step Mudah terminasi Kopling efisien Murah Dispersi lebar Bandwidth minimum

Karakteristik serat optik Numerical Aperture : ukuran yang menunjukkan tentang sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti serat. Perhitungan NA dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Rugi-rugi daya serat optik : Rugi-rugi daya atau yang lebih sering disebut atenuasi merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan jarak pengulangan (repeater),jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan. Besarnya atenuasi atau rugi-rugi daya dinyatakan oleh persamaan berikut : db/m (2.7) Dengan, L = Panjang serat optik Pin = Daya yang masuk kedalam serat optik Pout = Daya yang keluar dari serat optik (www.ittelkom.ac.id/library) Dispersi merupakan pelebaran pulsa yang terjadi pada saat sinyal ditransmisikan. (www.ittelkom.ac.id/library)

Lumbert beer Banyaknya jumlah sinar radiasi yang diabsorbsi oleh suatu larutan dapat dihubungkan dengan konsentrasi larutan tersebut. apabila energi elektomagnetik diabsorbsi oleh suatu larutan maka kekuatan energi yang akan ditransmisikan kembali akan menurun secara geometri (secara eksponensial) dengan jarak atau panjang yang ditempuh oleh gelombang tersebut. I o I = I o e -abc larutan a = 2,3026 Terjadi absorbsi larutan terhadap gelombang cahaya yang datang I

Fototransistor Fototransistor adalah salah satu jenis fotodetektor yang berfungsi untuk mengubah cahaya (photon) menjadi arus listrik Fototransistor terdiri dari NPN dan PNP yang dengan suatu material transparan sehingga memungkinkan cahaya inframerah mengenai daerah basis sedangkan transistor ditempatkan pada bahan logam dan tertutup (Fraden,2006)

Metodologi PERANCANGAN SENSOR PH PEMBUATAN LARUTAN ASAM,BASA,DAN NETRAL Power supply PERANCANGAN STANDARISASI ALAT SENSOR PH Multi meter Jika tidak sesuai PENGAMBILAN DATA LAPORAN DATA DAN KESIMPULAN

Pembuatan Larutan Larutan HCL,NaOH, dan NH4OH pekat diencerkan hingga mendapat konsentrasi masing- masing 0,1 ; 0,01 ; 0,001 di lab asam Fisika ITS dengan persamaan V1. M1 = V2. M2 Pengukuran ph larutan HCl, NaOH, NH4OH dan Aquades memakai phmeter dengan kalibratornya adalah larutan buffer Pengenceran Larutan HCl kedua kali karena tidak bisa terbaca oleh phmeter

Blok diagram rangkaian Source (Led merah) Serat optik Sampel Serat optik fotodetektor

Analisa data 1 2 3 No PH Keluaran sensor pada ketebalan (mv) 0.5 cm 1 cm 1.25 cm 1.66 1.36 1.12 0.89 2.16 1.25 1.05 0.99 3.06 1.11 0.98 0.85 Tabel 4.2 Tabel hasil keluaran sensor ph ketebalan sampel larutan HCl No Jenis Larutan Konsentrasi Pengenceran Konsentrasi Perhitungan Keluaran sensor (mv) 1,25 1 cm cm 0,5 cm 1 HCl 0.000003 0.0008 1.87 1.63 1.18 2 HCl 0.00001 0.002 1.66 1.23 1.37 3 HCl 0.000011 0.016 1.26 1.07 1.3 Tabel 4.3 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan HCl dengan ketebalan 0,5 cm; 1 cm; 1,25cm

1 2 3 No PH Konsentrasi Keluaran sensor pada ketebalan (mv) 0.5 cm 1 cm 1.25 cm 8 0.001 0.78 0.6 0.64 10.32 0.01 0.49 0.42 0.66 11.24 0.1 0.46 0.35 0.49 Tabel 4.4 Data hasil eksperimen berdasarkan larutan basa NaOH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1 cm ; 1,25 cm 1 2 3 No PH Konsentrasi Keluaran sensor pada ketebalan (mv) 0.5 cm 1 cm 1.25 cm 8.9 0.001 0.64 0.55 0.78 9.1 0.01 0.7 0.5 0.35 9.9 0.1 0.5 0.47 0.98 Tabel 4.5 Data hasil eksperimen berdasarkan larut basa lemah NH4OH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1 cm ;1,25 cm

Keluaran sensor Jenis Konsentrasi Konsentrasi (mv) No Larutan Pengenceran Perhitungan 0,5 cm 1,25 1 cm cm 1 NaOH 0.001 0.000001 0.78 0.6 0.64 2 NaOH 0.01 0.0002 0.49 0.42 0.66 3 NaOH 0.1 0.002 0.46 0.35 0.49 Tabel 4.6 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan NaOH dengan ketebalan 0,5 cm ; 1cm ;1,25 cm. No Jenis Larutan Konsentrasi Pengenceran Konsentrasi Perhitungan Keluaran sensor (mv) 0,5 cm 1 cm 1,25 cm 1 NH4OH 0.001 0.0000063 0.64 0.55 0.78 2 NH4OH 0.01 0.000016 0.7 0.5 0.35 3 NH4OH 0.1 0.00063 0.5 0.47 0.98 Tabel 4.7 Hasil pengamatan berdasarkan konsentrasi larutan NH4OH dengan ketebalan 0,5 cm; 1 cm; 1,25cm

Hubungan antara Keluaran terhadap nilai ph larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel Keluaran (mv) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 nilai ph Gambar 4.1 Grafik keluaran larutan asam kuat HCl dengan nilai ph berdasarkan ketebalan sampel = 0,5 cm = 1 cm = 1,25 cm

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel Keluaran (mv) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.000002 0.000004 0.000006 0.000008 0.00001 0.000012 Konsentrasi larutan (M) Gambar 4.2 Grafik Konsentrasi (pengenceran) terhadap Keluaran larutan asam HCL (0,000003M 0,000011 M) dengan berdasarkan ketebalan sampel =0,5cm =1cm =1,25cm

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel Keluaran (mv) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 Konsentrasi perhitungan (M) Gambar 4.3 Grafik Konsentrasi (perhitungan) terhadap Keluaran larutan asam HCL (0,0008M 0,016 M) dengan berdasarkan ketebalan sampel =0,5cm =1cm =1,25cm

Hubungan antara Keluaran terhadap nilai ph larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel 0.9 0.8 Keluaran (mv) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 7 8 9 10 11 12 nilai ph Gambar 4.4 Grafik keluaran larutan basa NaOH dengan nilai ph berdasarkan ketebalan sampel = 0,5 cm = 1 cm = 1,25 cm

Hubungan antara Keluaran dengan Nilai ph larutan NH4OH berdasarkan variasi ketebalan sampel 1.2 1 Keluaran(mV) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 nilai ph Gambar 4.5 Grafik keluaran larutan asam dan basa dengan nilai ph berdasarkan ketebalan sampel 0,5 cm ; 1 cm ; 1,25cm = 0,5 cm = 1 cm = 1,25 cm

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel Keluaran (mv) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Konsentrasi larutan

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel Keluaran(mV) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Konsentrasi perhitungan (M)

1.2 Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NH4OH berdasarkan variasi ketebalan sampel 1 Keluaran (mv) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Konsentrasi larutan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk larutan NH4OH berdasarkan sampel variasi 1.2 1 Keluaran (mv) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 Konsentrasi perhitungan (M)

Pembahasan Sensor ph ini hanya mampu stabil dan konsisten pada ketebalan sampel range 0,5cm - 1 cm Grafik hasil pengamatan terhadap konsentrasi larutan dan ph telah sesuai dengan konsep penyerapan yang diberikan oleh lumbert beer, dimana konsentrasi larutan berbanding lurus dengan penyerapan dan dimana absorbsi akan naik nilainya jika ph turun.(data pendukung dari Lidya Pratiwi A) Terdapat ketidaksesuaian antara data yang diperoleh berdasarkan perhitungan dan pengenceran, hal ini disebabkan karena faktor pada volume larutan pekatnya,penggunaan pipet volum yang berbeda-beda, serta kesalahan dalam penggunaan yang seharusnya menggunakan labu ukur agar mendapatkan nilai yang benar.

Kesimpulan Pada tugas akhir tentang perancangan sensor fiber optik terhadap nilai PH larutan asam basa dapat disimpulkan sebagai berikut : Sensor ini dapat digunakan pada ph 1,66 ; 2,16; 3,06 untuk larutan asam dan 8 ; 8,9 ; 9,1 ;9,9; 10,32 ; 11,5 untuk larutan yang bersifat basa dengan inputan 2,4 V pada source atau sumber cahayanya Sensor ini menunjukkan tegangan output yang baik dan berkesesuaian pada larutan asam maupun basa berdasarkan variasi ketebalan Sensor

Saran Pada tugas akhir kali ini penulis menyarankan agar pembuatan larutan yang akan dijadikan sampel dilakukan dengan perhitungan yang tepat dan tempat yang steril. Kemudian, perlu adanya pengembangan sistem sensor dengan penambahan ADC sebagai media penunjukkan nilai ph pada larutan yang akan digunakan agar dapat memudahkan pembacaan. Selain itu, penulis menyarankan untuk dilakukan kalibrasi.