Penerapan Optika melalui Pemanfaatan
Hukum Snellius Sebagai Dasar Alat Ukur
Indeks
Bias Dan Viskositas Larutan Garam Berbasis
Mikrokontroler
AVR ATMega8535
Abstrak
Telah direalisasikan
sebuah alat pengukur indeks bias larutan yang sekaligus menampilkan nilai viskositasnya
dengan menerapkan hukum Snellius dengan tampilan LCD. Alat tersebut terdiri dari
sensor LDR, potensiometer multiturn, motor stepper, mikrokontroler ATMega 8535
dan LCD 16x2. Proses kerja alat yaitu sensor LDR bergerak horizontal mencari berkas cahaya paling terang
dari sinar laser yang telah dibiaskan oleh cairan. Pergerakan LDR secara
horizontal ini dibantu oleh motor stepper bipolar dan belt. Ketika sensor LDR terkena cahaya laser, maka sensor LDR akan berhenti
bergerak dan mikrokontroler akan membaca keluaran dari potensiometer multiturn
yang sebelumnya ikut berputar seiring dengan pergerakan LDR. Keluaran dari potensiometer
multiturn ini akan dikonversikan sebagai bentuk perubahan jarak LDR dan akan dihitung
oleh program sebagai nilai indeks bias cairan dan viskositas cairan. Nilai viskositas
yang didapatkan merupakan hasil perhitungan numerik program dimana terlebih dahulu
dicari hubungan antara perubahan nilai indeks bias terhadap viskositas yang
didapat dari hasil eksperimen. Persamaan empiris antara nilai indeks bias dan nilai viskositas pada
larutan garam yaitu
. Alat ini baik digunakan
untuk menampilkan nilai visksositas larutan
garam sedangkan nilai indeks bias dapat digunakan untuk semua cairan yang mampu
dilewati cahaya tampak. Rentang
pengukuran dari alat yang dibuat untuk nilai indeks bias larutan garam yaitu 0,66 sampai 5,69 dan nilai viskositasnya antara
0,003718 P sampai 0,010723 P.
Kata Kunci: Indeks Bias, Viskositas, Larutan Garam, Mikrokontroler
Pendahuluan
Indeks bias suatu zat merupakan ukuran kelajuan cahaya di dalam zat cair dibanding ketika di udara (Murdaka,
Karyono, & Supriyatin, 2010). Sedangkan viskositas dalam istilah
orang awam adalah ukuran kekentalan suatu cairan. Semakin besar nilai viskositas
suatu zat cair maka semakin besar pula kekentalan cairan tersebut. Secara umum viskositas
terdapat pada zat alir (fluida) seperti zat cair dan gas. Alat pengukur viskositas
suatu cairan disebut viskosimeter (viscometer). Pengukuran viskositas lebih
banyak digunakan orang untuk zat cair ketimbang zat gas, seperti viskositas oli
pelumas mesin, produk susu, cat, air minum, darah, minyakg oreng, sirup dan sangat
jarang digunakan untuk zat gas. Ini berarti tidak sedikit bidang profesi yang
membutuhkan data viskositas diantaranya fisikawan, kimiawan, analis kimia industri,
dokter, kimia farmasi, kimia lingkungan, perminyakan, biokimia dan sebagainya (Suciyati & Surtono,
2009).
Pengukuran indeks bias dalam industri dapat digunakan untuk menemukan
parameter fisik berupa konsentrasi, suhu, tekanan dan lain-lain (Govindan, Gobi, & Raj, 2009). Indeks bias dan viskositas memiliki banyak manfaat dalam
kehidupan sehari-hari, misalnya sebagai parameter kualitas minyak goreng dimana
minyak yang memiliki kualitas paling baik yaitu minyak yang memiliki indeks
bias dan viskositas yang tinggi (Sutiah, Firdausi, & Budi, 2008).
Alat ukur indeks
bias memiliki banyak macam sesuai dengan prinsip pengukuran yang digunakan salah
satunya yaitu refraktometer. Sedangkan untuk mengetahui nilai viskositas suatu
cairan digunakan viskosimeter dengan berbagai metode. Kedua alat ini cukup
rumit. Oleh karena itu, dalam penelitian ini didisain alat pengukur indeks bias dengan
menerapkan hukum Snellius. Alat pengukur ini akan dibuat dengan hasil dapat dilihat pada
LCD. Selain itu, dilakukan analisis hubungan indeks bias dan viskositas suatu
fluida sehingga pada tampilan LCD selain nilai indeks bias juga ditampilkan
nilai viskositas fluida tersebut dengan mencari hubungan keduanya dengan
persamaan empiris.
METODE PENELITIAN
PERANCANGAN ALAT
Alat pengukur indeks
bias yang dibuat pada penelitian ini terdiri dari penampung cairan yang terbuat
dari kaca dengan sumber cahaya laser merah di bagian atasnya, LDR,
potensiometer multiturn, mikrokontroler dan penampil informasi LCD. Diagram
blok rancangan alat dapat dilihat pada
Cairan ditempatkan di dalam wadah kaca yang akan dilewatkan cahaya tampak.
Akan terjadi pembelokkan cahaya karena perbedaan kerapatan medium. Sensor LDR
akan bergerak horizontal terhadap kaca dengan bantuan motor dan akan berhenti
ketika LDR mengenai cahaya yang telah melewati wadah kaca yang berisi cairan.
Pergerakan LDR ini bersamaan dengan memutarnya potensiometer multiturn sehingga
jarak yang ditempuh oleh LDR direpresentasikan oleh besarnya resistansi yang
dihasilkan oleh potensiometer multiturn. Keluaran dari potensiometer multiturn
adalah tegangan yang akan dibaca oleh mikrokontroler ATMega8535. Tegangan
masukan tersebut akan dimasukkan dalam persamaan untuk mencari nilai indeks
bias serta viskositas dan ditampilkan pada LCD. Persamaan yang digunakan untuk
mencari indeks bias suatu cairan seperti pada persamaan (1) (penjabaran
persamaan terdapat di lampiran) dan
persamaan yang digunakan untuk nilai viskositas sesuai dengan persamaan (2).
|
|
|
Persamaan (2) merupakan persamaan empiris yang didapatkan dari hubungan
indeks bias dan viskositas larutan garam hasil eksperimen.
PEMBUATAN ALAT
Alat yang dibuat terdiri
dari rangkaian catu daya dengan output 5 volt dan 12 volt, rangkaian sensor,
rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATMega8535, rangkaian LCD dan rangkaian
motor stepper. Secara keseluruhan, rangkaian elektrik dari alat yang dibuat seperti
pada Gambar 2.
Perancangan
perangkat lunak yang dilakukan pada penelitian ini meliputi perancangan lunak
pada mikrokontroler ke LCD serta rangkaian driver motor stepper. Perangkat
lunak mikrokontroler ini berisi deretan instruksi yang dieksekusi oleh
mikrokontroler untuk kendali ADC, LCD dan rangkaian driver motor stepper.
Perangkat lunak penelitian ini dibuat dengan menggunakan bahasa BASIC dan
kompiler BASCOM AVR. Diagram alir pembuatan perangkat lunak seperti pada Gambar 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Telah direalisasikan
alat pengukur indeks bias dan viskositas zat cair berdasarkan hukum snellius.
Perangkat terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak dimana perangkat keras
terdiri dari catu daya, sistem minimum mikrokontroler ATMega 8535, rangkaian
sensor dan tampilan LCD. Sedangkan perangkat lunak menggunakan bahasa Basic
dengan program Bascom AVR. Perangkat keras secara keseluruhan dapat dilihat
pada Gambar 4.
Gambar 4. Perangkat keras
alat pengukur indeks bias dan viskositas zat cair yang terdiri dari catu daya
(A), potensiometer (B), motor stepper (C), driver motor (D), Mikrokontroler
(E), rangkaian sensor LDR dan komparator (F), LCD (G), kotak kaca (H) dan laser
dioda (I).
Pada Gambar 4, alat yang dibuat menjadi dua
bagian dimana pada bagian pertama terdapat komponen catu daya, mikrokontroler,
rangkaian sensor, motor driver dan LCD. Sedangkan pada bagian kedua terdapat
potensiometer, motor stepper dan sebuah sensor LDR yang menempel pada belt. Pada bagian kedua merupakan tempat
untuk meletakkan wadah yang berisi cairan. Pemisahan bagian-bagian ini
dimaksudkan supaya tidak terjadi kerusakan ketika cairan pada wadah mengalami
tumpah pada alat.
Sensor yang
digunakan pada alat menggunakan LDR sebagai pendeteksi cahaya laser hasil
pembiasan oleh cairan dan potensiometer multiturn sebagai pengubah besaran
fisis (jarak) ke besaran elektris. Cahaya yang melewati zat cair akan dibiaskan
dan besarnya pembiasan diwujudkan dalam bentuk besaran elektris oleh
potensiometer multiturn. Sensor LDR dan potensiometer multiturn dihubungkan
dengan sumber tegangan yang tetap, sehingga tegangan potensiometer multiturn
sebanding dengan perputaran potensiometer multiturn. Tegangan keluaran dari
potensiometer multiturn selanjutnya diubah oleh ADC yang telah terintegrasi
dalam mikrokontroler ATMega 8535 menjadi sinyal digital yang akhirnya akan
ditampilkan ke LCD.
Setelah alat
pengukur indeks bias dan viskositas selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah
melakukan pengujian dan pengambilan data pengukuran terhadap sampel (zat cair).
Hasil dari pengambilan data pengukuran menggunakan alat ini diberikan pada Tabel 1.
Dari data hasil
pengukuran dengan alat yang telah dibuat seperti pada Tabel 1, pada data viskositas enam angka dibelakang koma bukan
secara langsung menunjukkan resolusi dari alat, tetapi hanya menyatakan hasil
perhitungan numerik dari data yang diolah oleh alat.
Tabel 1. Data
pengukuran indeks bias dan viskositas zat cair.
|
No.
|
Sampel
|
Data Lab
|
Data Alat
|
||
|
n
|
η (P)
|
n
|
η (P)
|
||
|
1
|
air biasa
|
1,33
|
0,004661
|
1,31
|
0,004638
|
|
2
|
Sampel 1 (air 600 mL + garam 10 gr)
|
1,43
|
0,004750
|
1,38
|
0,004736
|
|
3
|
Sampel 3 (air 600 mL + garam 30 gr)
|
1,47
|
0,004782
|
1,36
|
0,004707
|
|
4
|
Sampel 5 (air 600 mL + garam 50 gr)
|
1,50
|
0,004819
|
1,49
|
0,004888
|
|
5
|
Sampel 7 (air 600 mL + garam 70 gr)
|
1,53
|
0,004832
|
1,53
|
0,004946
|
|
6
|
Sampel 10 (air 600 mL + garam 100 gr)
|
1,55
|
0,004918
|
1,36
|
0,004707
|
Analisis Hubungan Indeks Bias Dan
Viskositas Larutan Garam
Analisis
hubungan indeks bias dan viskositas dilakukan untuk mengetahui bagaimana
hubungan antara indeks bias dan viskositas larutan garam. Pengambilan data
eksperimen dilakukan sebanyak 3 kali dan diambil data rata-ratanya.
Hasil eksperimen
hubungan indeks bias dan viskositas larutan garam seperti Gambar 5.
Gambar 5. Grafik hubungan indeks bias dan viskositas larutan garam.
Kenaikan nilai indeks bias
dikarenakan larutan garam (NaCl) mengandung atom Cl dimana atom Cl akan
menambah nilai indeks bias. Atom Cl merupakan atom berukuran besar sehingga
akan memperbesar kerapatan molekul dan dengan demikian interaksi antar molekul
akan bertambah. Faktor ini akan menyebabkan cahaya yang dibiaskan semakin besar
dan nilai indeks bias akan bertambah besar (Tahir & Nuroniah, 2008). Pada Gambar 5
dapat kita lihat terjadi kenaikan nilai viskositas seiring kenaikan nilai
viskositas yang cukup linier dan didapatkan persamaan (2).
Analisis Perangkat Keras
Sensor LDR pada alat
digunakan untuk mendeteksi cahaya, ketika tidak terkena cahaya maka keluaran
dari rangkaian sensor akan bernilai low begitupun sebaliknya, jika terkena
cahaya maka keluaran sensor akan bernilai high.
Potensiometer multiturn
digunakan untuk mengubah besaran fisis (jarak) menjadi besaran elektrik dimana sifat
potensiometer multiturn yaitu memiliki perubahan resistansi yang linier ketika diputar.
Dari data potensiometer multiturn didapatkan deviasi rata-rata setiap kenaikan
jarak 1 mm, nilai ADC bertambah sebesar 2 atau setiap kenaikan nilai ADC
sebesar 1 merupakan perpindahan jarak sebesar 0,5 mm.
Untuk
menggerakkan LDR dan memutar potensiometer multiturn maka digunakan motor
stepper. Motor steper merupakan motor penggerak dimana motor ini berputar
secara langkah per langkah sehingga memudahkan dalam mengatur pergerakan motor.
Pada penelitian digunakan motor stepper jenis bipolar karena memiliki torsi
yang lebih besar dibandingkan motor stepper unipolar dan motor dc pada sumber
tegangan yang sama.
Pada motor
stepper, terdapat sebuah gear untuk memutar belt yang memiliki jari-jari 7 mm.
Pada motor stepper yang digunakan, memiliki besar step 6o sehingga
untuk satu putaran penuh diperlukan 60 step dimana setiap step diberikan waktu
100 ms sehingga untuk satu putaran penuh memerlukan waktu 6 detik. Oleh karena
itu, kecepatan sudut dari motor stepper ini sebesar π/3 rad/s atau kecepatan
linier sebesar 7,33 mm/s. Panjang rentang belt antara titik awal sensor LDR
sampai potensiometer multiturn yaitu 125 mm sehingga waktu yang diperlukan
untuk menggerakkan LDR tersebut yaitu sekitar 17 detik.
Nilai indeks
bias cairan yang mampu dibaca oleh alat yaitu antara 0,66 sampai 5,69. Untuk
nilai viskositas cairan, pada alat dimasukkan persamaan empiris antara nilai
indeks bias dan viskositas larutan garam. Hal ini dikarenakan perbedaan
persamaan empiris antara cairan yang digunakan dalam sampel penelitian. Nilai
viskositas larutan garam hasil pembacaan alat masih mendekati nilai viskositas
hasil uji laboratorium sehingga untuk pembacaan nilai viskositas cairan masih
dapat dikatakan baik. Rentang nilai pengukuran viskositas yang mampu
ditampilkan alat yaitu antara 0,003718 P sampai 0,010723 P.
KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil
penelitian dan pembahasan, maka dapat disimpulkan bahwa alat ukur indeks bias
dan viskositas yang dibuat mampu berjalan dengan baik dengan menampilkan nilai indeks
bias dan viskositas yang mendekati nilai indeks bias dan viskositas hasil uji laboratorium. Rentang
pengukuran yang mampu ditampilkam alat untuk nilai indeks bias larutan garam
yaitu 0,66 sampai 5,69 dan nilai viskositasnya
antara 0,003718 P sampai 0,010723 P. Untuk pengembangan dan penyempurnaan penelitian selanjutnya,
maka disarankan untuk pembuatan alat ukur dengan sumber tegangan dari baterai
supaya alat dapat dibawa serta penelitian lebih lanjut mengenai hubungan indeks
bias dan viskositas pada larutan garam.
DAFTAR PUSTAKA
Giancoli, D. C. (2001).
Fisika Edisi ke-5. Jakarta: Erlangga.
Govindan, Gobi, &
Raj, S. G. (2009). Measurement Of Refractive Index Of Liquids using Fiber Optic
Displacement Sensors. Journal of American Sciences , 5, 13-17.
Murdaka, B., Karyono,
& Supriyatin. (2010). Penyetaraan Nilai Viskositas terhadap Indeks Bias
pada Zat Cair Bening. Jurnal Berkala Fisika , 13, 119-124.
Suciyati, S. W., &
Surtono, A. (2009). Pemanfaatan Sensor Koil Sebagai Detektor Pencatat Waktu
Pada Viscosimeter Metode Bola Jatuh Berbasis Komputer. Seminar Hasil
Penelitian dan Pengabdian Masyarakat .
Sutiah, Firdausi, K.
S., & Budi, W. S. (2008). Studi Kualitas Minyak Goreng Dengan Parameter
Viskositas Dan indeks Bias. Jurnal Berkala Fisika , 53-58.
Tahir, I., &
Nuroniah, K. W. (2008). Hubungan Kuantitatif Struktur Dan Indeks Bias Dari
Senyawa Organik Berdasarkan Deskriptor Molekular. Seminar Khemometrik, AIC.
0 komentar:
Posting Komentar