## Perancangan Perangkat Sensor Optik untuk Otomasi Pemisahan Cairan pada Miniplant Pemisahan Cairan
Ahmad Mujahid
Departemen Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesa 10 Bandung

## Abstrak
Penelitian ini difokuskan pada proses pencucian biodiesel saat pemisahan air dan biodiesel dengan menggunakan  bantuan sensor  optik  dan  lensa.  Perangkat sensor  optik  ini  bekerja  memanfaatkan perbedaan  tingkat  absorbsi  cahaya  dari  sumber  cahaya Light  Emitting  Diode (LED)  sesuai  dengan Hukum Absorbsi Beer-Lambert. Perancangan sensor ini bertujuan menggantikan peran pengamatan visual dari operator yang masih banyak dilakukan dan diharapkan dapat dimanfaatkan untuk proses pemisahan  secara  otomatis.  Hasil  pengujian  perangkat  sensor  saat  kondisi  cairan  diam menunjukkan untuk sumber cahaya LED biru mempunyai selisih tegangan antara air-minyak 2,823 volt,  LED  merah  1,697  volt  dan  inframerah  0,442  volt.  Untuk  uji  T-student  perbedaan  deteksi  air- minyak  didapatkan  nilai  T  untuk  LED  merah  97,156,  LED  biru  54,9  dan  inframerah  45,841.  Pada pengujiaan illuminansi untuk LED merah didapatkan nilai absorbsi A masing-masing untuk sampel air dan minyak adalah 2,26x10 -2 dan 0,822. LED Biru nilai absorbsi  A 6,38x10 -2 dan 0,995. Sedangkan dari  hasil  analisis  keadaan  transien  menunjukkan  bahwa  aliran  air-minyak  dengan sumber  cahaya LED  merah  yang  paling mendekati  sistem  orde  1  dengan nilai  kuadrat  koefisien  relasi  R 2 sebesar 0,896. Nilai ini lebih baik dibandingkan dengan sumber cahaya LED biru R 2 0,584 dan inframerah R 2 0,604.
Kata kunci: Biodiesel, sensor optik, Light Emitting Diode, absorbsi cahaya

## Abstract
Biodiesel  washing  is  an  important  process  in  biodiesel  production  in  order  to  reduce  contaminant. Mechanical  stirring is  one  method  for  water  washing.  Separation  of  biodiesel  and  water  employing gravitational principles. Surface boundary of biodiesel and water was visually observed by operator. In this study, optical sensor device was  developed to replace operator function. This device consist of optical sensor, lens and Light emitting diode (LED) as light source. Optical sensor device works based on difference absorption level of light source according  to Beer-Lambert absorption Law.  As a result, red  LED  was closer  to the  first  order  system  than  bue  LED  and  inframerah  with  quadratic  relation coefficient R2 were 0.896, 0.584 and 0.604, respectively.
Keywords: Biodiesel, Optical sensor, Light Emitting Diode, light absorption.

## 1 Pendahuluan
Dalam dunia industri, terutama industri proses banyak ditemui proses pemisahan dua jenis cairan atau lebih. Salah satunya adalah dalam proses pencucian biodiesel. Biodiesel dibuat dengan  proses  transesterifikasi  dari  minyak  yang  berasal  dari  tumbuhan  maupun  lemak hewan  yang  menghasilkan  metil  ester.  Metil  ester  inilah  yang  disebut  biodiesel.  Biodiesel hasil  dari  proses  transesterifikasi  masih  mengandung  berbagai  pengotor  seperti  sisa katalis alkalin, gliserol, methanol dan  sabun -sabun yang harus dibersihkan terlebih dahulu agar tingkat kemurnian biodiesel semakin tinggi.
Dalam penelitian ini, proses pemurnian yang diteliti ialah proses pencucian dengan metode mechanical  stiring. Biodiesel  akan  dicampur  dengan  air  dengan  perbandingan  1:1,  lalu diaduk  menggunakan  alat  pemutar  mekanik  sehingga  pengotor  pada  biodiesel  terlarut  di
air. Setelah itu campuran ini didiamkan sehingga biodiesel yang telah dicuci akan berada di atas  lapisan  air  akibat  pengaruh  gaya  gravitasi  terhadap  perbedaan  densitas  cairan.  Air pada lapisan bawah dibuang, selanjutnya proses ini diulang beberapa kali pada suhu 55 o C. Selama  ini  proses  pemisahan  cairan  untuk  skala  laboratorium  di  Indonesia  dilakukan secara  manual  berdasarkan  pengamatan  visual  oleh  operator.  Adanya  otomasi  pada proses pencucian biodesel dapat meningkatkan efektivitas dan efisiensi.
Fokus  dalam  penelitian  ini  terletak  pada  bagian  pemisahan  air  dengan  biodiesel,  dengan menggunakan  bantuan  sensor  optik  untuk  mendeteksi  kedua  jenis  cairan.  Perangkat sensor optik ini bekerja memanfaatkan perbedaan tingkat absorbsi cahaya dari  transmiter sesuai  dengan  Hukum  Absorbsi  Beer-Lambert.  Perancangan  sensor  ini  bertujuan menggantikan  peran  pengamatan  visual  dari  operator  yang  selama  ini  masih  dilakukan. Sensor  ini  diharapkan  dapat  dimanfaatkan  untuk  proses  pemisahan  secara  otomatis. Dalam  pengerjaanya  perangkat  sensor  ini  akan  diuji  pada  sebuah mini  plant sistem otomasi pemisahan cairan dengan prinsip  gravitasi, menggunakan sensor optik, pengontrol Programmable  Logic  Controller (PLC),  dan  aktuator  solenoid  valve. Mini  plant ini  sendiri merupakan  bentuk  prototipe plant untuk  proses  pemisahan  dua  jenis  cairan  dengan prinsip gravitasi.

## 2 Teori Dasar
Perangkat  sensor  yang  dirancang  menggunakan Light  Emitting  Diode (LED)  sebagai pemancar sinyal  yang akan diterima oleh photodioda.  LED inilah yang akan  memancarkan cahaya  untuk  dilewatkan  pada  cairan  minyak  dan  air.  Cahaya  dapat  bersifat  sebagai partikel  (berupa  photon)  yang  memiliki  energi  tertentu.  Menurut  Planck,  energi  suatu photon berbanding lurus dengan frekuensinya [1]
c E hv h    (1)
dengan E adalah energi photon (Joule), h adalah tetapan kesebandingan Planck (6,626x10 - 34 Joule.detik), v adalah  frekuensi  (Hz), c adalah  cepat  rambang  gelombang  cahaya  ( c = 3x10 8 m/s) dan  menyatakan panjang gelombang cahaya (m).
Hukum dasar absrobsi cahaya menyatakan bahwa jika suatu berkas sinar melewati  suatu medium  homogen,  sebagian  dari  cahaya  datang  diabsorpsi  dan  sebagian  dipantulkan, sedangkan sisanya ditransmisikan dengan efek intensitas murni sebesar [2].
o a t r I I I I    (2)
Dimana I o adalah  intensitas  cahaya  yang  masuk, I a adalah  intesiatas  cahaya  yang diabsoprsi. I r adalah  intesiatas  cahaya  yang  dipantulkan  dan I t adalah  intensitas  cahaya yang  ditransmisikan.  Tetapi  pada  prakteknya,  nilai I r adalah  kecil  sekali  (~4%)  sehingga untuk tujuan praktik I r dapat diabaikan,
o a t I I I   (3)
Perangkat  sensor  yang  digunakan  pada mini  plant menggunakan  sensor  optik,  dengan memanfaatkan  perbedaan  tingkat  absorbsi  cahaya  oleh  minyak  dan  air.  Prinsip  dasar mengenai  absorbsi  cahaya  dikenal  dengan  hukum  absorbsi  Beer-Lambert  sebagai  berikut [2]:
1. Hukum Lambert menyatakan bahwa proporsi  berkas cahaya datang  yang diserap oleh suatu  bahan  tidak  bergantung  pada  intensitas  berkas  cahaya  yang  datang.  Intensitas cahaya  yang  keluar  setelah  melewati  medium  tersebut  dapat  dituliskan  sebagai berikut:
I = T x I 0 (4)
2. I adalah  intensitas  berkas  cahaya  keluar, I 0 adalah  intensitas  berkas  cahaya  datang, dan T adalah  transmitansi.  Jika  transmisi  dinyatakan  dalam  persentase  (satuan  %), maka :
%T = (I/I 0 ) x 100 = exp(− ε c l) (5)
3. Hukum Beer menyatakan bahwa absorbansi cahaya berbanding lurus  dengan dengan konsentrasi dan ketebalan medium. Oleh August Beer (Hukum Beer) dituliskan sebagai berikut :
A = ε c l = log (I 0 /I) (6)
ε adalah molar absorbsitivitas untuk panjang gelombang tertentu atau disebut juga sebagai koefisien  ekstinsif  (dalam   l  mol -1 cm -1 ), c adalah  konsentrasi  molar  (mol  l -1 )  dan l adalah panjang atau ketebalan dari medium yang dilintasi oleh cahaya (cm).

## 3 Rancangan Alat dan Percobaan

## 3.1 Perancangan Perangkat Sensor
Gambar 1 Perangkat sensor
Transmiter  yang  digunakan  adalah Light  Emitting  Diode (LED)  dengan  transduser photodiode.

## 3.2 Perancangan Rangkaian Sensor

## Gambar 2 Rangkaian sensor
Sumber  tegangan  digunakan  sumber  DC  5  Volt.  Dua  resistor  dipasang  seri  dengan  LED. Resistor  R  200  Ω  sebagai  resistor  batas  maksimal  dari  arus  yang  dapat  mengalir  dan resistor variabel multiturn Rx1 2 kΩ dimaksudkan untuk mengatur intensitas LED. Cahaya yang  dipancarkan  LED  akan  diterima  oleh  photodioda.  Photodioda  yang  digunakan mempunyai  rentang  panjang  gelombang  320-1100nm.  Photodioda  dirancang  agar beroperasi  sebagai  piranti  fotovoltaik  (sumber  tegangan)  yaitu  dengan  diberi  bias  nol. Tegangan  yang  dihasilkan  oleh  sel  photodioda  akan  sebanding  dengan  intensitas  cahaya yang diterima Tegangan ini akan dikuatkan dengan OPAM P jenis Non Inverting .

## 3.3 Perancangan Perangkat Uji
(a) (b) (c)
Gambar 3 (a) Tangki uji dan penampang peletakan sensor (b) tanpa lensa dan (c) dengan lensa
Pada  pengujian  awal,  perangkat  uji  yang  digunakan  masih  belum  terpasang  lensa.  Agar didapatkan  kinerja  sensor  yang  lebih  baik,  pada  saat  implementasi  dengan  PLC  dipasang lensa  agar  cahaya  lebih  terfokus  pada  permukaan  lensa.  Lensa  yang  digunakan merupakan  jenis  cembung-cembung  dengan  titik  fokus  5  cm.  Lensa  sendiri  ditempatkan pada jarak 5 cm didepan sumber cahaya dan sensor.

## 3.4 Prosedur Percobaan
rangkaian elektronik NI USB 6008 akuisisi data software LabView data /grafik tegangan voltmeter

## Gambar 4 Prosedur percobaan pengujian alat

## 4 Hasil dan Analisis

## 4.1 Pengujian Illuminansi
Tabel 1 Karakteristik sumber cahaya LED Lux volt %T Absorbsi LED Lux volt %T Absorbsi Merah Biru kosong  17.89 9.05 100 0 kosong 26.7 9.95 100 0 air 16.98 9.08  94.91 2.26x10 -2 Air 23.05  9.75  86.33  6.38x10 -2 minyak 2.69 1.39  15.04 8.22X10 -1 minyak 2.69 1.42  10.08  9.95x10 -1
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  melihat  respon  sensor  terhadap  illuminansi  dari  sumber cahaya.  Dengan  menggunakan  persamaan  (5)  dan  (6)  didapatkan  nilai  tranmisi  cahaya (%T )  dan  absorbsi.  Dengan  asumsi  transmisi  cahaya  100%  atau  absorbsi=1  adalah  saat keadaan  kosong.  Transmisi  ini  menunjukkan  seberapa  banyak  cahaya  dari  sumber  LED dilewatkan  oleh  bahan  uji.  Semakin  banyak  cahaya  yang  dilewatkan,  intensitas  cahaya yang  akan  diterima  oleh  sensor  semakin  besar  dan  nilai  tegangan  keluaran  rangkaian sensorpun menjadi lebih besar. Sedangkan absorbsi berkebalikan dengan transmisi.

## 4.2 Pengujian Kondisi Cairan Diam
Pengujian yang dilakukan saat kondisi cairan diam  didapatkan hasil berikut:
Tabel 2 Keluaran tegangan kondisi cairan diam Sampel Led Merah Led Biru Inframerah kosong 4.023 4.027 3.424 air 4.084 4.119 3.198 minyak 2.387 1.296 2.776 selisih air-minyak 1.697 2.823 0.422
Tabel 3 Uji T-Student perbedaan deteksi air-minyak

## 4.3 Pengujian Kondisi Cairan Mengalir
Pada saat terjadi aliran air-minyak, hasil data pengukuran berupa grafik berikut

## Gambar 5 Grafik tegangan aliran air-minyak

## 4.4 Analisis Keadaan Transien
Keadaan  transien  merupakan  keadaan  saat  terjadi  perubahan  cairan  dari  air  k e  minyak yang  terdeteksi  oleh  sensor.  Bagian  ini  dianalisis  dengan  metode  pengukuran  parameter
Sumber Cahaya T LED Merah air-minyak 97.156 LED Biru air-minyak 54.9 IR air-minyak 45.841
berdasarkan  data  eksperimen  sehingga  dapat  diketahui  apakah  keadaan  transien  ini berperilaku  seperti  sistem  orde-1.  Dengan  membuat  grafik  data Z terhadap  waktu,  akan didapatkan sebuah garis lurus setelah proses linierisasi.  Kemiringan dari  garis  ini adalah  - 1/  .  Jika  data  yang  didapat  jatuh  mendekati  garis  lurus  dapat  dikatakan  bahwa  sistem tersebut berperilaku sebagai sistem orde 1 [8].
1 t o is q e K q    
(7)
0 lo g( 1 ) e is q Z K q   (8) t
Z     1 dZ dt    (9)
Untuk  sistem  aliran  minyak  ini  diasumsikan  bahwa  sistem  mendapat  masukan input  step dengan is Kq sebesar  selisih dari tegangan rata-rata keadaan tunak air dan tunak minyak. Nilai q o adalah relatif terhadap kondisi awal keadaan tunak air.
Gambar 6 Grafik hasil plot Z terhadap waktu dengan sumber cahaya inframerah
Gambar 7 Grafik hasil plot Z terhadap waktu dengan sumber cahaya LED
Gambar 8 Grafik hasil plot Z tehadap waktu dengan sumber cahaya LED biru
Tabel 4 Nilai R 2 masing-masing sumber Sumber R 2 Inframerah 0.604 LED Merah 0.852 LED Biru 0.584

## 4.5 Analisis Rangkaian
Fungsi transfer rangkaian sensor ditunjukan pada persamaan (10)
0 1 2 1 1 2 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) i E s R R C s R R
E s R R C s R     (10)
Dengan R 1 , R 2 dan C 1 adalah konstanta.
Adapun  dalam  percobaan  yang  dilakukan  nilai  masing-masing  resistor  dan  kapasitor adalah R 2 =1  k  ; R 1 =  15  k  dan C 1 =  0.01  F. R 1 disini  merupakan  nilai  hambatan total dari  resistor  batas 5 k  dan multiturn pada posisi 10 k  . Nilai dari masing-masing komponen  elektronik  dimasukkan  ke  persamaan  (4)  sehingga  akan  didapatkan  fungsi transfer seperti pada persamaan (11).
5 0 3 ( ) 1.07 10 ( ) 6.7 10 i E s s x E s s x    (11)
Dari  persamaaan  (11)  dengan  bantuan software  MATLAB 7.0  didapatkan  plot  bode diagram dan frekuensi sepada Gambar 9.
Bode Diagram M a g n it u d e ( d B ) P h a s e ( d e g ) Frequency (rad/sec) 25 20 15 10 5 0 0 -30 -60 -00
Gambar 9 Plot bode diagram dan frekuensi rangkaian sensor
Pada  plot  Bode  Diagram  dan  frekuensi  menunjukkan  bahwa  kapasitor  yang  diparalel dengan  resistor  pada  rangkaian  mempunyai  fungsi  sebagai Low  Pass  Filter dengan frekuensi cut  off 6.7x10 3 rad/sec. Nilai  frekuensi cut  off ini  dapat  dilihat  dari  persamaan (11). Frekuensi cut off terjadi  saat poles bernilai nol, dari bode diagram dapat juga  dilihat saat frekuensi cut off terjadi penurunan magnitude sebesar -20dB/dec.

## 5 Kesimpulan
Pada  penelitian  ini  telah  dibuat  perangkat  sensor  optik  untuk  mendeteksi  minyak  dan  air dengan menggunakan Light Emitting  Diode (LED) sebagai sumber cahaya dan  photodioda sebagai sensor cahaya serta lensa dengan karakteristik sebagai berikut :
4. Sebagai  pemancar  diputuskan  digunakan  LED  Merah  dengan  alasan  berikut,  hasil pengukuran  tegangan  keluaran  saat  uji  statis  didapatkan  untuk  LED  merah  saat  air 4.084 volt dan minyak 2.387 volt; LED Biru saat air 4.119 volt dan minyak 1.296 volt; Inframerah saat air 3.198 volt dan saat minyak 2.776 volt.
5. Pengujian T-Students perbedaan  deteksi  air-minyak  didapatkan  nilai T untuk  LED Merah  adalah  paling  tinggi  yaitu  97.156,  LED  Biru  54.9,  Inframerah   45.841.  Nilai variansi  terbesar  saat  mendeteksi  minyak  ketika  digunakan  sumber  cahaya  LED  Biru yaitu 0.155.
6. Aliran  air-minyak  dengan  Sumber  LED  merah  adalah  yang  paling  mendekati  sistem orde 1 dengan R 2 bernilai 0.852 , untuk inframerah R 2 bernilai 0.604 dan  LED biru R 2 bernilai 0.584.
7. Pada  pengujiaan  illuminansi  untuk  sumber  LED  Merah  besar  transmisi  ketika  sampel air  adalah  94.91  %  dan  absorbsi  2.26x10 -2 ,ketika  sampel  minyak  transmisi  15.04  % dan absorbs 0.822 .
8. Kinerja  sensor  ditingkatkan  dengan  menggunakan  lensa  dengan  jarak  fokus  5  cm. Lensa ini berguna untuk memfokuskan cahaya dari LED jatuh ke permukaan lensa

## 6 Daftar Pustaka
[1] “Penjualan BBM Pertamina. S.L.”. Republika Newsroom (11 Agustus 2009)
[2] “Produksi CPO RI. S.L.”. ANTARA (12 Desember 2008)
[3] Mittelbach,  M.  dan  Remschmidt,  C..2004. Biodiesel  A  Comprehensive  Hdanbook.
Graz : s.n.
[4] Bode,  H.  2002. Bahan  Bakar  Alternatif  Biodiesel. Teknik  Kimia  Seminar  Nasional. Universitas Sumatera Utara.
[5] Indartono,  Y.  S..  2006. Mengenal  Biodiesel  :  Karakter,  Produksi  hingga  Performansi Mesin .
[6] Erningpraja,  L. dan  Dradjat, B. 2006  “Biodiesel Berbahan Baku Minyak  Sawit”. Warta Penelitian dan Pengembangan Pertanian Indonesia. 28(3).
[7] Hill,  P.  (2008).  Small  Scale  Production  Processes.  Biodiesel  Equipment,  Processors, Acc.  &  Information . (Online).  Tersedia:  http://www.biodieselgear.com.  [20  Agustus 2009].
[8] Keenan, C. W., Kleinfeller,  D. C. dan Wood, J. H. 1990. General Chemistry College. (Ed.
6). Knoxville : Harper & Row Publisher Inc.
[9] The Visible Spectrum. Encyclopædia Britannica, Inc.
Tersedia:
http://www.britannica.com/ [22 November 2009].
[10] Khopkar,  S. M. 1985. Basic  Concepts of Analytical  Chemistry. Bombay : Wiley Eastern Limited.
[11] Carr, J. J. 1993. Sensors dan Circuits. New Jersey : PTR Prentice Hall.
[12] Seippel, R.  G. 1998. Optoelectronics for Technology dan Engineering. New Jersey :  PTR
Prentice Hall. [13] S1223 Series. 2001. Datasheet Search Site. [Online]. Tersedia:
http://www.alldatasheet.com  [11 Agustus 2009].
[14] Malvino,  A.P.  1993. Electronic  Principles  5th  edition .  New  York :  The  McGraw-Hill Companies.
[15] Sudirham, S. 2008. Pengantar Rang kaian Elektronik. Bandung : Penerbit ITB.
[16] Kane, J. W. dan Sternheim, M. M. 1998. Physics 3rd edition . New York : John Wiley & Sons.
[17] Sutrisno. 1984. Fisika Dasar : Gelombang  dan Optik. Bandung : Penerbit ITB.
[18] Doebelin,  E. O. 1990. Measurement  System : Application dan  Design. 4th  Edition. s.l. : McGraw Hill.
[19] Walpole, R. E. dan Myers, R.  H. 1995. Ilmu  Peluang  dan  Statistika untuk Insinyur dan Ilmuwan. [ed.] Suroso. [trans.] R. K. Sembiring. Edisi 4. Bdanung : Penerbit ITB.
[20] GaAs  Infrared  Emitting  Diode .  Tersedia:  http://www.datasheetcatalog.com.  [10 Agustus 2009].
[21] Ultra  Bright LED  Lamp  YZ-RV5N30N  Series.  2002  [Online].  Tersedia: http://www.yoldal.com [10 Agustus 2009].
[22] Ultra  bright  Blue  LED  Lamp  YM-BV5S15Y  Series.  2002.  [Online]  Tersedia: http://www.yoldal.com [10 Agustus 2009].
[23] Ogata,  K.  2002. Modern  Control  Engineering. 4th  Edition.  New  Jersey :  PTR  Prentice Hall.