Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan alam

Intitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

PERANCANGAN SENSOR pH

MENGGUNAKAN FIBER OPTIK

BERDASARKAN VARIASI KETEBALAN

DAN KONSENTRASI SAMPEL

REZA ADINDA ZARKASIH

NRP. 1107100050

DOSEN PEMBIMBING :

DRS. HASTO SUNARNO,M.Sc

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

pH

Meter

Serat optik sebagai

sensor pH

Snellius

Pemantulan dalam

sempurna

Serat optik

Karakteristik serat optik

Lumbert Beer

Fototransistor

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

pH-meter 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.

Volt meter

Elektroda pH

Referensi

Jembatan garam

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

Bahan berindeks bias kecil

Sudut bias

Sinar cahaya

Bahan berindeks bias besar

Sudut datang

Garis normal

Hukum Snellius ini dimodelkan secara

Matematis sebagai berikut :

n1 sin ө1= n2sin ө2

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.

Cahaya akan terpantul balik

Cahaya keluar dari bahan pertama

Pada sudut datang yang kurang dari sudut kritis cahaya dapat menembus bidang perbatasan

Ketika sudut datang lebih besar dari sudut kritis

Sudut kritis

Garis normal

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 Step index

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.

Io

I

larutan

Terjadi absorbsi larutan terhadap gelombang cahaya yang datang

I = Io e-abc

a = 2,3026

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

PERANCANGAN

STANDARISASI ALAT SENSOR PH

PENGAMBILAN DATA

LAPORAN DATA DAN KESIMPULAN

Jika tidak sesuai

Power supply

Multi meter

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

No PH Keluaran sensor pada ketebalan (mV)

0.5 cm 1 cm 1.25 cm 1 1.66 1.36 1.12 0.89 2 2.16 1.25 1.05 0.99 3 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)

0,5 cm

1 cm 1,25 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

No PH Konsentrasi Keluaran sensor pada ketebalan (mV)

0.5 cm 1 cm 1.25 cm 1 8 0.001 0.78 0.6 0.64 2 10.32 0.01 0.49 0.42 0.66 3 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

No PH Konsentrasi Keluaran sensor pada ketebalan (mV)

0.5 cm 1 cm 1.25 cm 1 8.9 0.001 0.64 0.55 0.78 2 9.1 0.01 0.7 0.5 0.35 3 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

No Jenis

Larutan

Konsentrasi Pengenceran

Konsentrasi Perhitungan

Keluaran sensor (mV)

0,5 cm 1 cm

1,25 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

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Kel

uara

n (

mV

)

nilai pH

Hubungan antara Keluaran terhadap nilai pH larutan

HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel

Gambar 4.1 Grafik keluaran larutan asam kuat HCl dengan nilai pH berdasarkan ketebalan sampel

= 0,5 cm = 1 cm = 1,25 cm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.000002 0.000004 0.000006 0.000008 0.00001 0.000012

Kel

uara

n (

mV

)

Konsentrasi larutan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan HCl

berdasarkan variasi ketebalan sampel

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

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Kel

uara

n (

mV

)

Konsentrasi perhitungan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk

larutan HCl berdasarkan variasi ketebalan sampel

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

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

7 8 9 10 11 12

Kel

uara

n (

mV

)

nilai pH

Hubungan antara Keluaran terhadap nilai pH larutan NaOH

berdasarkan variasi ketebalan sampel

Gambar 4.4 Grafik keluaran larutan basa NaOH dengan nilai pH berdasarkan ketebalan sampel

= 0,5 cm = 1 cm = 1,25 cm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10

Kel

uara

n(m

V)

nilai pH

Hubungan antara Keluaran dengan Nilai pH larutan NH4OH

berdasarkan variasi ketebalan sampel

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

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Kel

uara

n (

mV

)

Konsentrasi larutan

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NaOH berdasarkan variasi

ketebalan sampel

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025

Kel

uara

n(m

V)

Konsentrasi perhitungan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan

untuk larutan NaOH berdasarkan variasi ketebalan sampel

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Kel

uara

n (

mV

)

Konsentrasi larutan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi larutan NH4OH

berdasarkan variasi ketebalan sampel

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007

Kel

uara

n (

mV

)

Konsentrasi perhitungan (M)

Hubungan antara Keluaran terhadap Konsentrasi perhitungan untuk

larutan NH4OH berdasarkan sampel variasi

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.