Sensor Ketinggian Permukaan Oli Berbasis Sensor Pergeseran Fiber Coupler Hadi Suntaya, Samian, Supadi Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Kampus C Unair Jl. Mulyorejo, Surabaya 60115 ABSTRAK Terwujudnya aplikasi fiber coupler sebagai sensor pergeseran menginspirasi pengembangan selanjutnya sebagai sensor ketinggian permukaan oli karena sifatnya yang mudah serta dapat dimonitor jarak jauh. Dengan berbasis pada prinsip deteksi pergeseran target yang bersifat reflektif, ketinggian permukaan oli dideteksi melalui mekanisme tekanan hidrostatisnya terhadap membran yang berada di bagian bawah tangki oli. Dengan menempelkan alumonium foil pada membran sehingga bersifat seperti cermin yang dapat berubah bentuk, perubahan tekanan oli yang bergantung pada perubahan ketinggian permukaannya akan merubah bentuk membran dari bentuk cermin datar ke cembung atau sebaliknya. Perubahan bentuk membran tersebut akan memberikan perubahan daya optis cahaya pantulan dari membran yang masuk ke kanal sensing fiber coupler. Karena detektor optis digunakan untuk mendeteksi perubahan daya optis cahaya, perubahan ketinggian permukaan oli akan terdeteksi melalui perubahan tegangan keluaran detektor optis. Dengan menggunakan laser He-Ne (10 mw), fiber coupler, silicon detector (Newport), mikrovoltmeter (Leybold), membran berbahan nitrile polymer, tangki oli dengan tinggi 75 cm dan perangkat pendukung eksperimen lainnya, konstruksi sensor menghasilkan deteksi ketinggian terkecil sebesar 0,5 cm. Untuk jangkauan, daerah linier serta sensitivitas sensor yang dihasilkan masing-masing sebesar 4 74 cm, 24 74 cm, dan 38.51 V/cm. Kata kunci: fiber coupler, sensor pergeseran fiber coupler, sensor ketinggian permukaan oli
1. Pendahuluan Deteksi ketinggian zat cair secara umum menggunakan prinsip kapasitif, ultrasonik, gelombang mikro, inframerah, elektro-mekanik, radiometri dan optik. Aplikasi dengan prinsip gelombang ultrasonik telah berhasil dikembangkan untuk mengukur ketinggian air (Negara.dkk, 2 009). Gelombang ultrasonik dipancarkan oleh transmitter Tx, kemudian gelombang pantulan diterima receiver Rx dan diumpankan ke sistem up-counter. Selisih waktu tempuh penjalaran gelombang ultrasonik dari transmitter Tx sampai dengan diterima kembali oleh receiver Rx berbanding lurus dengan ketinggian air. Kemudian, teknik opto-fluidic dengan electronically controlled variable fokus lens atau ECVFL juga berhasil dikembangkan (Reza.dkk, 2010). Deteksi dilakukan dengan merekam profil spasial intensitas berkas cahaya berdaya rendah yang merupakan pantulan dari permukaan cairan sebagai fokus lensa (ECVFL). Ketinggian cairan ditentukan dengan cara membandingkan ukuran spot berkas dengan panjang fokus lensa pada tabel ECVFL. Untuk metode optic, penggunaan serat optic telah dikembangkan untuk mendeteksi ketinggian zat cair dengan berbagai konfigurasinya. Penggunaan serat optic dengan menggunakan serat optic serta probe berupa prisma (Hossein, 2004) maupun elemen sensitive berbentuk kerucut (Pekka et al., 1997). Teknik yang lebih sederhana juga berhasil dilakukan dengan mendeteksi rugi daya optis cahaya dalam serat optik yang dipoles dan dilengkungkan sebagai sensor yang kontak secara langsung dengan zat cair (Lomer et al., 2007). Disamping itu, deteksi ketinggian zat cair melalui pergeseran panjang gelombang Bragg yang dihasilkan dari Fiber Bragg Grating (FBG) telah berhasil dilakukan (Kyung-Rak et al., 2009). Teknik lain yang berhasil dikembangkan adalah menggunakan dua buah serat optic sebagai pemancar dan penerima berkas cahaya melalui sebuah lensa (C. Vazquez et al., 2004). Penggunaan fiber coupler berhasil dikembangkan sebagai sensor ketinggian air dengan prinsip hidrostatis. Perubahan ketinggian zat cair terdeteksi melalui perubahan tekanan pada membrane yang terletak pada dinding bagian bawah
tangki zat cair. Dalam hal ini, membran difungsikan sebagai reflector. Fiber coupler, melalui salah satu kanal keluarannya (kanal sensing) memancarkan sekaligus menerima cahaya pantulan dari membrane tersebut. Dengan demikian ketinggian zat cair terdeteksi melalui perubahan daya optis yang diterima oleh kanal sensing. Dalam makalah ini, metode tersebut digunakan untuk mendeteksi ketinggian permukaan oli dengan mengganti membrane yang sebelumnya berbahan latex dengan bahan nitrile polymer. Bahan nitrile polymer tidak rusak ketika berinteraksi dengan oli dan bahan bakar lainnya. 2. Desain dan Prinsip Kerja Sensor Rancangan multimode fiber coupler sebagai sensor ketinggian zat cair berdasarkan prinsip hidrostatis serta sensor pergeseran yang berbasis modulasi intensitas diperlihatkan pada gambar berikut : Gambar 1. Rancangan sensor level ketinggian Pada gambar tersebut, berkas cahaya masukan dari laser (Pin) sebagian dipancarkan melalui kanal sensing (Pe) menuju membran yang dilapisi bahan reflector pada bagian tengahnya. Berkas cahaya pantulan dari membrane sebagian akan masuk kembal ke kanal sensing sebagai berkas balik (Pb). Berkas balik tersebut kemudian sebagian akan terkopel menuju ke kanal deteksi (Pd) dan terbaca oleh detector optis. Besarnya daya optis berkas balik bergantung pada posisi membrane terhadap kanal sensing. Di
sisi lain, tekanan zat cair pada bagian bawah tangki akan mendorong membrane menjadi lebih cembung, sehingga terjadi pergeseran permukaan pantul membrane terhadap kanal sensing (z), dalam hal ini jika diameter pipa tempat membrane berada jauh lebih kecil dari ketinggian zat cair, maka dapat diasumsikan bahwa tekanan zat cair pada seluruh bagian membrane homogen. Kemudian, posisi permukaan membrane tersebut akan menyebabkan perubahan daya optis berkas balik. Seperti diketahui bahwa tekanan zat cair bagian bawah tangki dipengaruhi oleh ketinggian zat cair. Dengan demikian ketinggian zat cair dapat dideteksi melalui perubahan daya optis yang terbaca pada detector optis. 3. Eksperimen Susunan peralatan eksperimen diperlihatkan pada Gambar 2. Peralatan yang digunakan terdiri dari laser He-Ne (Klasse DIN 58126, 632,8 nm, Uniphase) dengan daya keluaran 30 mw, multimode fiber coupler, silicon detector (Newport), mikrometer posisi beresolusi 5 µm (Uniphase), mikrovoltmeter (Leybold), dan tangki air dari bahan gelas berdiameter 5,7 cm dan tinggi 76 cm yang dilengkapi dengan skala (skala terkecil 1 mm). Pada bagian dasar tangki terdapat pipa yang dilengkapi dengan membran dari bahan nitrile polymer (tebal 80 µm dan berdiamter 14,625 mm) serta keran yang berfungsi untuk mengeluarkan zat cair dari tangki. Dibagian tengah membran direkatkan reflektor dari bahan aluminium foil berdiameter 5 mm. Multimode Fiber coupler yang digunakan berstruktur 2 x 2 dari bahan serat optik plastik berdiameter 1 mm (diameter core 960 µm, tebal cladding 20 µm) dan panjang 50 cm. Nilai coupling ratio, directivity, dan exces loss dari Multimode Fiber coupler yang digunakan masing-masing sebesar 0,25, 25 db, dan 1,37 db. Sebelum melakukan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan setup alat seperti gambar berikut
Gambar 2. Setup alat percobaan Selanjutnya, mendekatkan mikrometer posisi berhimpit dengan membran, sehingga diperoleh posisi awal mikrometer adalah 2,84 mm. Kemudian, menggeser mundur mikrometer posisi hingga beberapa milimeter lalu mengisi tangki dengan zat cair yang digunakan sampai dengan ketinggian 74 cm. Setelah itu, menggeser kembali mikrometer posisi sampai berhimpit dengan membran, sehingga diperoleh posisi mikrometer setelah membran bergeser akibat tekanan oli yakni 4,63 mm. Langkah berikutnya adalah menggeser mundur mikrometer sejauh sejauh 0,27 mm, sehingga diperoleh posisi akhir mikrometer sebesar 4,9 mm. 4. Hasil dan Pembahasan Hasil dari penelitian aplikasi multimode fiber coupler sebagai sensor ketinggian permukaan oli berbasis sensor pergeseran adalah berupa data tegangan keluaran detektor sebagai fungsi ketinggian oli dapat dilihat pada Gambar 3. Hubungan linier antara tegangan keluaran detektor terhadap ketinggian oli diperlihatkan oleh grafik pada Gambar 4. Rentang daerah linier yang dihasilkan nilainya 24 cm 74 cm.
Gambar 3. Grafik Tegangan Keluaran Detektor terhadap Perubahan Ketinggian Permukaan Oli. Gambar 4. Grafik Hubungan linier Tegangan Keluaran Detektor terhadap Perubahan Ketinggian Permukaan Oli. Dari grafik pada Gambar 3 menunjukkan rentang pengukuran ketinggian yang dilakukan sebesar 4 cm 74 cm. Batas bawah yang terukur sebesar 4 cm dikarenakan pada rentang pengukuran 0 cm 4 cm membrane tidak mengalami perubahan bentuk (cembung) secara signifikan sebab tekanan pada ketinggian ini terlalu kecil sehingga tegangan keluaran detector tidak mengalami perubahan. Sedangkan batas atas sebesar 74 cm dikarenakan tangki yang tersedia memiliki ketinggian tersebut. Dari analisa data yang dilakukan didapatkan hasil plot tegangan keluaran terhadap ketinggian oli pada ketinggian 24 cm 74 cm memiliki hubungan linier yang terbaik yang ditunjukkan dengan nilai liniaritas (R 2 ) mendekati 1. Rentang
daerah linier yang dihasilkan nilainya 24 cm 74 cm. Nilai tersebut menunjukkan daerah kerja sensor yang dihasilkan. Sensisivitas sensor sebesar 38.51 (V/cm), hasil ini diperoleh dari nilai kemiringan grafik pada Gambar 4. Parameter fiber coupler sebagai sensor ketinggian oli hasil penelitian ini diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1. Karakteristik Multimode Fiber Coupler sebagai Sistem Sensor Ketinggian Permukaan Oli. Parameter Nilai Resolusi (cm) 0,5 Rentang pengukuran (cm) 4 74 Daerah Linier (cm) 24 74 Sensitivitas (V/cm) 38.51 5. Kesimpulan Dengan menggunakan prinsip hidrostatis, multimode fiber coupler dan membrane nitrile polymer, dapat mendeteksi ketinggian oli secara kontinyu dengan rentang deteksi 4 cm 74 cm dan resolusi sebesar 0,5 cm. Metode yang telah dihasilkan tersebut sangat memungkinkan dikembangkan sebagai sensor ketinggian oli. 6. Daftar Pustaka C. Vázquez, A.B. Gonzalo, S. Vargas, J. Montalvo, 2004, Multi-sensor System Using Plastic Optical Fibers For Intrinsically Safe Level Measurements, Sensors and Actuators, A 116: 22 32. Hossein Golnabi, 2004, Design and Operation of A Fiber Optic Sensor For Liquid Level Detection, Optics and Lasers in Engineering, 41: 801 812. Kyung-Rak Sohn, Joon-Hwan Shim, 2009, Liquid-Level Monitoring Sensor Systems Using Fiber Bragg Grating Embedded In Cantilever, Sensors and Actuators, A 152: 248 251. Lomer, M., 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, Sensors and Actuators, A 137: 68 73.
Negara, Anugrah P., Ashariyanto, Rudy, 2009, Aplikasi Gelombang Ultrasonik Untuk Mengukur Level Ketinggian Air. Pekka Raatikainen, Ivan Kassamakov, Roumen Kakanakov, Mauri Luukkala, 1997, Fiber-Optic Liquid-Level Sensor, Sensors and Actuators, A 58: 93 97. Reza, S. A., N. A. Riza, 2010, Agile Lensing-Based Non-Contact Liquid Level Optical Sensor For Extreme Environments, Optics Communications, 283: 3391 3397.