APLIKASI FIBER OPTIK SEBAGAI SENSOR pH

Disusun oleh :

Nama : Adelia Mayang Sari

NPM : 1121009

Diajukan sebagai pengganti UAS (Ujian Akhir Semester) pada mata kuliah Optoelektronika

Jurusan Teknik Elektro

Universitas Internasional Batam

2012

ABSTRAKFiber Optic Sensor (FOS) adalah perkembangan dari penggunaan serat optik yang memiliki keunggulan dalam beberapa hal seperti: berukuran kecil, cepat dan akurat dalam trasmisi data, tidak berinterferensi dengan gelombang elektromagnet, tahan terhadap suhu tinggi, memiliki sensitivitas yang tinggi, serta memiliki bandwith yang besarFiber optik yang diaplikasikan sebagai sensor dalam bidang kimia telah digunakan sejak 25 tahun yang lalu. Selama dua dekade terakhir ini, perkembangan dan aplikasi sensor kimia dan biosensor berbasis fiber optik tumbuh secara pesat. Di antara semua sensor yang ada, sensor pH lebih menarik perhatian karena pentingnya pengukuran pH di berbagai penelitian ilmu pengetahuan dan aplikasi.pHmeter konvesional, yaitu dengan elektroda, telah banyak digunakan tetapi memiliki beberapa kekurangan, seperti: mahal, kurang praktis, dapat berinterferensi dengan mediumnya, dan lain-lain. Untuk itu dikembangkanlah sensor pH berbasis serat optik yang memiliki kelebihan tersendiri, terutama jika digunakan untuk penganalisa dan pengukuran larutan pH di tempat-tempat yang berbahaya, sulit dan jauh.Karya ilmiah ini akan memberikan tinjauan fiber optik sebagai sensor pH dengan mempresentasikan nilai pH dari sampel yang diuji dalam bentuk tegangan output fotodioda yang diukur oleh multimeter. Nilai pH yang dinyatakan sebagai nilai tegangan output fotodioda tersebut berbanding terbalik dengan nilai tegangan input LED. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh absorbsi.KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat, kekuatan, dan karunia yang telah diberikan sehingga karya ilmiah yang berjudul Aplikasi Fiber Optik sebagai Sensor pH dapat terselesaikan. Penyusunan karya ilmiah ini diajukan sebagai pengganti UAS (Ujian Akhir Semester) untuk mata kuliah optoelektronika, jurusan teknik elektro, Universitas Internaional Batam.Banyak pihak yang telah dengan tulus ikhlas memberikan bantuan, baik itu melalui kata-kata ataupun dorongan semangat untuk menyelesaikan penulisan karya ilmiah ini. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa terima kasih disertai penghargaan yang setinggi-tingginya kepada:

1. Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih kepada keluarga tercinta yang telah memberikan dorongan dan bantuan sertapengertianyang besar kepada penulis, baik selama mengikuti perkuliahan maupun dalam menyelesaikan karya tulis ini.2. Bapak Hadi Puspa Handoyo, S.Si., M.Sc, selaku dosen mata kuliah Optoelektronika, yang telah yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pkiran dalam pelaksanaan bimbingan, pengarahan, dorongan dalam rangka penyelesaian penyusunan karya tulis ini.3. Rekan-rekan seperjuangan di jurusan Teknik Elektro, Universitas Intenasional Batam.4. Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu namun telah memberikan masukan kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih terdapat kekurangan dan jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala kritikdan saran yang membangun sangat diharapkan dalam penyempurnaan karya ilmiah ini. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kemajuan

ilmu pengetahuan.

Bangkok, September 2012Adelia Mayang SariDAFTAR ISI

HALAMAN JUDULiABSTRAKii

KATA PENGANTARiii

DAFTAR ISIiv

DAFTAR GAMBARvBAB I : PENDAHULUAN1.1. Latar Belakang...................................................................................................11.2. Tujuan................................................................................................................1BAB II : TEORI DASAR

2.1 Derajat Keasaman (pH)......................................................................................22.2 Sensor................................................................................................................22.3 Sensor pH...........................................................................................................32.4 Serat Optik (Optical Fiber).................................................................................32.5 Serat Optik sebagai Sensor pH...........................................................................42.6 Perambatan Cahaya di dalam Serat Optik.........................................................42.7 Fotodetektor......................................................................................................5BAB III : PEMBAHASAN

3.1 Set-Up Sensor pH berbasis Fiber Optik.............................................................63.2 Prinsip Kerja Sensor pH berbasis Fiber Optik....................................................63.3 Kelebihan dan Kekurangan................................................................................83.4 Aplikasi Sensor pH berbasis Fiber Optik............................................................8BAB IV : PENUTUP

4.1 Kesimpulan.........................................................................................................94.2 Saran...................................................................................................................9DAFTAR PUSTAKA10DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Serat Optik3Gambar 2. Struktur Serat Optik4

Gambar 3. Fotodetektor5

Gambar 4. Set-Up Sensor pH berbasis Fiber Optik6BAB I

PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang Di abad ke-20, pandangan terhadap teknologi telekomunikasi telah mengalami banyak perubahan. Banyak penemuan-penemuan revolusioner yang didasari dari perkembangan teknologi ini, salah satunya adalah serat/fiber optik. Serat optik adalah teknologi alternatif yang dapat menggantikan fungsi kabel konvensional sebagai pengalir isyarat elektrikal. Teknologi ini memiliki keunggulan dalam beberapa hal yaitu pengiriman data yang lebih cepat, lebih akurat, dan relatif lebih stabil terhadap perubahan kondisi cuaca dibandingkan kabel konvensional. Serat optik memiliki keunggulan lain yang menjanjikan, seperti: berukuran kecil, tidak berinterferensi dengan gelombang elektromagnet, tahan terhadap suhu tinggi, memiliki sensitivitas yang tinggi, serta memiliki bandwith yang besar.

Kini, fiber optik tidak hanya digunakan sebagai pandu gelombang optik untuk sistem komunikasi, tetapi dapat juga dimanfaatkan untuk membuat sensor yang dikenal dengan sensor fiber optik (Fiber Optic Sensor). Sensor ini dibuat untuk mengukur besaran fisika seperti suhu, tekanan, kelembaban, maupun besaran kimia seperti mengukur kandungan gas-gas polutan (contoh: amonia), hidrokarbon, pH (derajat keasaman) larutan dan sistem-sistem biologi.

Besaran pH merupakan sifat kimia yang sangat penting pada suatu larutan dan harus sering dipantau untuk mengetahui keadaan larutan tersebut. Untuk mengetahui besarnya pH suatu larutan diperlukan sensor pH menggunakan elektroda pH atau strip indikator yang telah digunakan secara komersial. Belakangan ini telah dikembangkan sistem sensor pH berbasis serat optik yang memiliki kelebihan tersendiri dalam pemakaiannya, terutama jika digunakan untuk pengukuran pH pada tempat-tempat yang cukup berbahaya seperti untuk analisis sifat air pada tempat yang sangat dalam, reaktor kimia, dan air limbah yang beracun.

1.2 Tujuan

Tujuan dari penulisan karya ilmiah ini adalah untuk mengetahui bagaimana cara kerja sensor pH yang berbasis fiber optik.BAB II

DASAR TEORI

2.1 Derajat Keasaman (pH)pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. Konsep pH pertama kali diperkenalkan oleh kimiawan Denmark Soren Peder Lauritz Sorensen pada tahun 1909. Sorensen (1868-1839) mengusulkan konsep pH agar memudahkan para kimiawan dalam mengukur dan mengukuti perubahan konsentrasi ion dalam suatu larutan.

Menurut Sorensen pH merupakan fungsi logaritma negatif dari konsentrasi ion dalam suatu larutan dan dirumuskan sebagai berikut :Untuk larutan asam

Untuk larutan basaKet : H+ dan OH- merupakan konsentrasi ionNilai pH berkisar dari 0 hingga 14. Suatu larutan dikatakan netral apabila memiliki nilai pH=7. Nilai pH>7 menunjukkan larutan memiliki sifat basa, sedangkan nilai pHn2, sudut datang 1 akan mencapai sudut kritis 2 = 90o, sehingga :

sin cr = n2/n1Jika sudut datang lebih besar daripada sudut kritisnya, maka akan terjadi peristiwa Total Internal Reflection (TIR), yaitu peristiwa dimana seluruh cahaya yang datang akan dipantulkan ke dalam medium yang sama. Sedangkan, nika sudut datang lebih keil dibandingkan sudut kritisnya, maka sebagian cahaya akan dipantulkan, dan sebagian lain akan diteruskan/dibiaskan.

Numerical aperture (NA) adalah ukuran kemampuan sebuah serat optik dalam menangkap cahaya. NA adalah parameter yang harganya tergantung pada refractive indeks bias pada inti (core) dan cladding dalam serat optik. Dengan menggunakan hukum Snellius, NA dari serat optic adalah : NA = n sin co = n12 n22dimana co adalah sudut masukkan maksimum dan n adalah medium cahaya serat optik, dalam hal ini adalah udara. Dan n = 1, sehingga:

NA = sin co = n12 n22Semakin besar sudut co semakin banyak cahaya yang tertampung ke dalam serat optik. Nilai NA biasanya sekitar 0,20 sampai 0,29 untuk serat gelas, sedangkan serat plastik memiliki NA yang lebih tinggi dapat melebihi 0,5.3.6 FotodetektorFotodetektor berfungsi sebagai konverter dimana tugasnya akan mengubah cahaya yang datang dari serat optik menjadi sinyal listrik agar dapat diolah oleh komponen selanjutnya. Sifat yang dimiliki fotodetektor diantaranya adalah respon yang tinggi pada suatu panjang gelombang untuk dideteksi, nilai noise ygkecil dan kecepatan yang cukup untuk mengikuti variasi sinyal optik yangakan dideteksi.

Gambar 3. FotodetektorFotodetektor yang baik memiliki kepekaan atau respon yang tinggi, waktu respon yang cepat, noise dari detektor yang rendah dan karakteristik dari performasi yang tidak mudah dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Fotodioda merupakan contoh dari fotodetektor. Fotodioda dapat berfungsi sebagai sensor untuk mengukur intensitas cahaya, dimana semakin besar intensitas cahaya (ditunjukkan kenaikan daya lampu) yang mengenainya maka arus yang dihasilkan fotodioda juga akan semakin besar. BAB III

PEMBAHASAN3.1 Set Up Sensor pH berbasis Optik

Gambar 4. Set-Up Sensor pH berbasis Fiber OptikLarutan yang ingin diukur derajat keasamannya (pH) diletakkan di kaca tempat sampel. Sumber cahaya yang dipakai menggunakan LED merah dengan batas variasi tegangan yang diberikan pada masing-masing sampel adalah 1,7 Volt sampai 1,9 Volt. Hal ini dikarenakan karena batas tegangan LED merah berkisar 1,4 1,7 Volt. Pada saat input LED diberi tegangan

1,4 Volt dan 1,5 Volt, cahaya yang dipancarkan kurang terang (terlalu redup), sehingga

tegangan output yang dihasilkan terlalu kecil. Sedangkan pada saat input LED diberi tegangan 2 Volt, ternyata terjadi kerusakan pada LED, karena memang batas tegangan pada LED merah kurang dari 2 Volt. Serat Optik yang digunakan sebagai pemancar dan penerima cahaya dari sensor pH berbasis fiber optik ini merupakan serat optik step index multimode FD-620-10 dengan diameter core 125 m. Dan fotodetektor yang digunakan adalah photodioda.3.2 Prinsip Kerja Sensor pH berbasis Optik

Tegangan output fotodioda yang diukur oleh multimeter menyatakan nilai pH dari sampel larutan yang diuji. Oleh karena itu, besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung besarnya pH larutan. Nilai pH larutan berbanding terbalik dengan nilai tegangan output. Semakin tinggi nilai pH maka semakin rendah tegangan output yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh penyerapan (absorbsi cahaya) pada sampel uji.Absorpsi merupakan sifat alami suatu gelas. Penyebabnya pada proses ini adalah karena adanya tranmisi ion-ion OH. Ion OH ini ternyata memberikan sumbangan absorpsi yang cukup besar. Atom-atom dengan valensi ion positif lebih banyak memiliki elektron-elektron bebas dan berikatan dengan ion-ion negatif OH. Elektron bebas ini meskipun telah berikatan dengan ion negatif OH, namun pada proses pengikatan pasangan akan berlaku secara acak. Artinya, perilaku acak elektron bebas ini seperti benar-benar elektron bebas yang masih belum memiliki pasangan. Sifat elektron bebas tersebut dapat menyerap energi foton yang dihasilkan oleh cahaya yang seharusnya energi foton tersebut diserap oleh fotodioda.

Semakin tinggi nilai pH, berarti larutan semakin bersifat basa. Artinya, semakin banyak konsentrasi elektron bebasnya akan berakibat pada semakin banyak cahaya yang terabsorbsi. Hal ini sesuai dengan hasil percobaan yaitu nilai pH yang semakin tinggi menghasilkan tegangan output semakin rendah. Sehingga pada sampel larutan yang bersifat basa, hasil tegangan output yang didapatkan lebih rendah dari pada menggunakan sampel larutan yang bersifat asam. Hal ini berarti, nilai pH yang dinyatakan sebagai nilai tegangan output fotodioda berbanding terbalik dengan nilai tegangan input LED.3.3 Kelebihan dan Kekurangan Kelebihan sensor pH berbasis optik :

1. Kekebalan terhadap gangguan listrik2. Keakuratan yang lebih baik dibandingkan dengan sensor pH konvensional

3. Ukurannya yang kecil dan ringan

4. Kemampuan dalam pengukuran jarak jauh (remote sensing)

5. Tidak memerlukan adanya elektroda

6. Tahan terhadap gangguan gelombang elektromagnetik Kekurangan sensor pH berbasis optik :

1. Biaya yang mahal untuk peralatannya.2. Perlu konversi data listrik ke cahaya dan sebaliknya yang rumit.3. Perlu peralatan khusus dalam prosedur pemakaian dan pemasangannya.4. Untuk perbaikan yang kompleks perlu tenaga yang ahli di bidang ini.3.4 Aplikasi Sensor pH berbasis OptikPengembangan dan aplikasi sensor pH berbasis serat optik sebelum 1990 telah dilakukan oleh Leiner and Wolfbeis. Sepanjang tahun 1990-an, pekerjaan ini terus dilanjutkan sebagaimana yang dibuktikan oleh ratusan publikasi dalam literatur.Dalam perkembangannya, FOS banyak digunakan dalam aplikasi industri untuk berbagai macam pengukuran derajat keasaman (pH). Dalam proses pengontrolan hasil produksi industri, keakuratan dan kesinambunganan pemaparan data tentang status perubahan pH suatu produk adalah hal yang paling serius untuk diperhatikan. Idealnya, parameter ini diukur dan dimonitoring secara berkesinambungan dengan metode tertentu.Sensor pH berbasis optik juga memiliki kelebihan tersendiri, terutama jika digunakan untuk penganalisaan dan pengukuran pH di tempat-tempat yang berbahaya dan sulit, seperti untuk analisis sifat air pada tempat yang sangat dalam, reaktor kimia, dan air limbah yang beracun.

BAB IV

PENUTUP4.1 KesimpulanDari keseluruhan karya ilmiah ini dapat disimpulkan :1. Sensor pH berbasis fiber optik memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan sensor pH konvensional.

2. Pada sensor berbasis fiber optik ini, nilai pH yang dinyatakan sebagai nilai tegangan output fotodioda berbanding terbalik dengan nilai tegangan input LED. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh absorbsi larutan sampel.4.2 Saran1. Alat dimodifikasi terhadap penempatan sampel, tempat sampel dapat didesain seperti laci. Supaya tidak terjadi ketidaksinkronan pada sampel dan serat optik pemancar tidak bergeser dari tempat semula.3. LED dan serat optik ditaruh dalam pipa, sehingga cahaya LED dapat masuk ke dalam serat optik secara maksimal.4. Untuk normalisasi alat digunakan sampel yang memiliki nilai pH normal (bukan asam dan basa). Contohnya : airDAFTAR PUSTAKAK.T.V. Grattan, B.T. Meggitt (1999). Optical Fiber Sensor Technology. Dordrechit/Boston/London : Kluwer Academic Publishers.

Rahardianti Ayu Kolilah, Study Awal Sensor Optik sebagai Sensor pH. Jurusan Fisika FMIPA-ITS. 9, 1-8.Instrument Science & Technology Group of The Institute of Physics (1987). Fiber Optic Sensor. England : 10P Publishing LTD.Didit Adithya, 2006, Pembuatan Probe Sensor Serat Optik untuk Mengukur Derajat Keasaman (pH) menggunakan Methyl Violet sebagai Dye Indikator. Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 23, 2-3. Ahmad Bahtiar Sururi, Lizda Johar Mawarani ST. MT., Analisa Performansi Sensor pH berbasis Fiber Optik berdasarkan Pengamatan Kondisi Sol-Gel pada Optrode. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 7, 2-3.pH = -log[H+]

pH = 14 - log[OH-]

7