## Sistem Pengukuran Kadar Gula dalam Cairan menggunakan Sensor Fotodiode Terkomputerisasi

## Measurement System of Sugar Content in Liquid Sensor using Computerized Fotodiode
Misto *1) ,Tri Mulyono 2) , Alex 3) 1,3) Jurusan Fisika , FMIPA, Universitas Jember, Jember 2 )Jurusan Kimia , FMIPA, Universitas Jember, Jember *) Email: misto.fmipa@unej.ac.id

## ABSTRACT
It  has been made an electronic  system  for  measurement  of  sugar  cane  in solution media. This system uses a pin photodiode as a sensor, laser source, optical fiber, an operational amplifier (Op- Amp), analog to digital converter (ADC) of the Arduino, and computers. The main operation of the  measurement system is done by the sensor and controlled by computer. The the photodiode sensor sends a signal to a signal processing unit (op-amp) and converted to a digital signal by the ADC. The digital signal is then forwarded for processing and display (computer). We Concluded that  the  system  working well because  of  the  sugar  content information  can  be simultaneously displayed on the monitor.
Keywords : kadar gula, pin photodiode, komputer.

## PENDAHULUAN
Perangkat  pengukur  kadar  gula  secara  optik menggunakan  serat  optik  terhubung  komputer dibutuhkan  untuk  sejumlah  aplikasi,  termasuk pada pengukuran kadar gula dalam cairan tebu. Pengukuran  kadar  gula  secara  optik yang bekerja  pada  prinsip  penyerapan  gelombang cepat mempunyai  kelebihan  yaitu  murah karena  tidak  memerlukan  zat  kimia  dalam proses  pengukurannya,volume  cairan  sampel yang  digunakan  tidak  banyak,  dan  hasilnya pengukurannya sangat cepat.
Pengukuran kadar  gula  (glukosa) dalam air  destilasi  menggunakan  serat  optik  berbasis sensor  pergeseran  dengan probe bundel  telah dikembangkan  oleh Yasin et  al., (2010). Penelitian tersebut menunjukkan bahwa puncak tegangan atau intensitas sinar adalah sebanding dengan  konsentrasi  glukosa.  Sejalan  dengan penelitian  tersebut  Aini et  al,. (2013)  juga melakukan  pengujian  kadar  glukosa  dalam  air destilasi  menggunakan  serat  optik  berbasis sensor  pergeseran  dengan fiber  coupler .  Hasil penelitian tersebut menunjukan bahwa semakin tinggi  konsentrasi  larutan  glukosa  yang digunakan,  semakin  tinggi  pula    tegangan keluaran yang dihasilkan. Metode lain yang umum  digunakan  untuk  mengukur  kadar  gula adalah  dengan  metode refractometric , Near
Infrared  Reflectance (NIR), polarimetric ,  dan kromatografi (Mc Carthy, 2003) dalam (Nawi, 2012).  Beberapa  metode  tersebut  memiliki keterbatasan untuk digunakan di lapang karena membutuhkan  waktu  yang  cukup  lama, ketergantungan  operator,  dan  membutuhkan reagen  yang  berbahaya  (Mehrotra  dan  Siesler, 2003  dalam Nawi,  2012).  Beberapa  penelitian di  laboratorium  telah  menunjukkan  bahwa metode  spektroskopi  dapat  berhasil  digunakan untuk memprediksi  kualitas  tebu  berdasarkan sampel  cairan  tebu  (Valderrama et  al. ,  2007). Namun  penelitian  tersebut  tidak  mendapatkan cukup  sampel  cairan  yang  sesuai  di  lapang sehingga  mengurangi  tingkat  ketelitian  data yang telah didapatkan.
Pengukuran yang lebih sederhana dilakukan menggunakan alat refractometer , yaitu dengan meneteskan  cairan  tebu  ke  salah  satu  bagian refractometer .  Pengukuran  ini memanfaatkan prinsip indeks bias. Semakin tinggi kadar gula pada  cairan  tebu  maka  indeks  biasnya  akan semakin  tinggi  sehingga refractometer akan menunjukkan  skala  yang  semakin  besar. Kelemahan  dari  alat  ini  adalah  adanya pengaruh  sinar  matahari  ketika  pengukuran dilaksanakan di  lapang.  Semakin  tinggi intensitas  sinar  matahari  maka  semakin  tinggi skala refractometer yang akan didapatkan.
Kelemahan  dari  beberapa  penelitian sebelumnya  antara  lain  belum  terintegrasinya penelitian  menggunakan personal  computer (PC)  untuk  pengendalian  alat  ukur  dan  media penyimpanan  data,    serta  akurasi  rendah  yang disebabkan  oleh  keterbatasan  alat  dan  sampel yang  digunakan. Beberapa  kelemahan  dari penelitian sebelumnya
mengindikasikan perlunya perbaikan dalam  melakukan kegiatan pengukuran. Sejalan  dengan  kondisi  tersebut, prinsip  optika  memberikan  peluang  untuk mengukur  cairan  tebu  melalui  pengamatan transmisi  sinar  yang  diharapkan  dapat memberikan hasil yang lebih baik.
Berdasarkan  gagasan  di  atas,  maka diperlukan  sebuah  alat  ukur  berupa prototype yang  digunakan  untuk  mengukur  kadar  gula pada  cairan  tebu.  Alat  yang  akan  dibuat memanfaatkan  sensor  cahaya  berupa  PIN fotodioda, Light  Emitting  Diode (LED)  yang digunakan  sebagai  sumber  cahaya,  serat  optik yang  digunakan  sebagai  media  transmisi  dari sumber sinar,  serta  modul  Arduino  Uno  yang digunakan sebagai modul mikrokontroller yang dihubungkan dengan PC. Prinsip alat ini adalah sinar  dilewatkan  melalui  serat  optik. Selanjutnya oleh serat optik , paket-paket energi dari  sinar  akan  diteruskan  ke  cairan  tebu. Karena  sifat  optik  dari  larutan  yang  berwarna agak  keruh  maka  akan  ada  sinar  yang  diserap oleh larutan. Cairan tebu dituangkan ke wadah yang terisolasi dari sumber cahaya lain. Sensor kadar gula dan unit pengolah sinyal Pengukuran  kadar  gula  menggunakan sensor fotodioda  yang  diletakkan  di  ujung  kuvet sampel larutan gula. Larutan  disiapkan dalam air  suling  untuk  berbagai  kadar  (konsentrasi) mulai  dari  2  gram  hingga  20  gram  per  1000 liter  air  suling.  Dengan  bantuan  sinar  dari sumber LED warna merah yang ditransmisikan melalui  sebuah  fiber  optik,  sinar  diteruskan mengenai  larutan  pada  kuvet.  Setelah  melalui
sampel  larutan  gula  tebu    kemudian  sinar diterima  oleh  fotodioda  melalui  fiber  optik berikutnya.  Intensitas yang dimiliki sinar yang keluar  dari  sampel  adalah    berhubungan langsung dengan konsentrasi sampel gula. Dengan  memanfaatkan  kalibrasi  yang tepat,  perangkat  dapat  dikonfigurasi  untuk pengukuran  konsentrasi  gula.  Hubungan intensitas  sinar  yang  keluar  sampel I terhadap intensitas  sinar  awal  masuk  sampel I o mengikuti  prinsip  transmitansi  seperti  pada persamaan berikut;
X o e I I    (1)
Dengan µ adalah koefisien serapan larutan, dan X adalah panjang larutan yang dilewati sinar. Selanjutnya,  sinar  LED  ditransmisikan oleh serat optik  menuju sensor PIN fotodioda. Penggunaan  PC  akan  mengendalikan  nyala- mati  sumber  sinar,  menampilkan  data  hasil pengukuran  kadar  gula  dalam  bentuk konsentrasi  serta  digunakan  sebagai  media penyimpan data.

## Sensor kadar gula dan unit pengolah sinyal
Pengukuran  kadar  gula  menggunakan sensor  fotodioda  yang  diletakkan  di  ujung kuvet  sampel  larutan  gula.  Larutan    disiapkan dalam  air  suling  untuk  berbagai  kadar (konsentrasi)    mulai  dari  2  gram  hingga  20 gram per 1000  liter air suling. Dengan bantuan sinar dari  sumber  LED  warna  merah  yang ditransmisikan melalui sebuah fiber optik, sinar diteruskan  mengenai  larutan  pada  kuvet. Setelah  melalui  sampel  larutan  gula  tebu kemudian sinar diterima oleh fotodioda melalui fiber optik berikutnya.  Intensitas yang dimiliki sinar  yang  keluar  dari  sampel  adalah berhubungan  langsung  dengan  konsentrasi sampel  gula.  Dengan  memanfaatkan  kalibrasi
yang tepat, perangkat dapat dikonfigurasi untuk pengukuran  konsentrasi  gula.  Hubungan intensitas  sinar  yang  keluar  sampel I terhadap intensitas  sinar  awal  masuk  sampel I o mengikuti  prinsip  transmitansi  seperti  pada persamaan berikut;
X o e I I    (1)
Dengan µ adalah koefisien serapan larutan, dan X adalah panjang larutan yang dilewati sinar.
Selanjutnya, sinar  LED  ditransmisikan  oleh serat  optik  menuju  sensor  PIN  fotodioda. Penggunaan  PC  akan  mengendalikan  nyala- mati  sumber  sinar,  menampilkan  data  hasil pengukuran  kadar  gula  dalam  bentuk konsentrasi  serta  digunakan  sebagai  media penyimpan data.

## METODE
Pada  penelitian  ini  telah  dibuat  sistem  pengukuran kadar  gula  dalam  cairan dengan  menggunakan sensor  fotodioda  dan mikrokontroler dari  Arduino. Diagram  blok  dari  rancangan  perangkat  keras penelitian  yang  telah dibuat digambarkan seperti Gambar  1. Konversi  intensitas  sinar  ke  tegangan melalui  rangkaian  transimpedansi  menggunakan IC opamp LF357. Tegangan V yang  terjadi  pada penguat  transimpedansi  dapat    ditentukan  dengan persamaan;
iR V  (2)
Dengan R adalah hambatan yang terpasang pada penguat  transimpedansi,  dan  kuat  arus i ditentukan dengan persamaan:
hc A P i   
(3)
Dengan η =    efisiensi  kuantum  dari  sensor fotodioda P =    daya  intensitas  yang  mengenai sensor fotodioda
λ = panjang gelombang sinar
A = luasan sensor fotodiode h = konstanta Planck
c = kecepatan cahaya di ruang vakum
Sinyal tegangan luaran dari kemudian diteruskan ke rangkaian  pengubah  analog  to  digital  (ADC) menggunakan modul Arduino UNO. Unit pengolah sinyal pada desain rangkaian tersebut memiliki dua bagian  utama  yaitu  penguat  operasional  dan  juga modul Arduino UNO.

## Perangkat lunak (software) pemrograman
LabVIEW  2012  64  bit  yang  digunakan  untuk membuat  program  perintah  kerja, LabVIEW Interface  for  Arduino  yang  digunakan  untuk menjalankan perintah kerja, dan Arduino IDE 1.0.4 digunakan untuk memasukkan bahasa pemrograman pada modul Arduino UNO. Selanjutnya perancangan hardware dan  instalasi software Arduino  IDE  serta LabVIEW sebagai proses awal pembuatan alat ukur. Agar perangkat keras tersambung dengan perangkat lunak  pada  laptop  maka  diperlukan  suatu  bahasa pemrograman  untuk  menerjemahkan  perintah- perintah user .  Jika  bahasa  pemrograman  yang dimasukkan sudah sesuai dengan hal-hal yang harus dieksekusi  oleh  perangkat  keras,  maka  kegiatan selanjutnya  adalah  pengujian  alat.  Pengujian dilakukan  pada  larutan  gula  dengan  variasi konsentrasi. Pengujian akan dianggap berhasil ketika tegangan  keluaran  yang  ditampilkan  pada  laptop menunjukkan  nilai  tegangan  besar  ketika  larutan standar gula memiliki konsentrasi rendah. Jika hasil yang  didapatkan  belum  sesuai  dengan  ketentuan tersebut  maka  diperlukan  pemrograman  ulang. Pengujian  alat  ini  dimaksudkan  untuk  mengetahui kinerja  dan  tingkat  ketelitian  alat. Selanjutnya  alat digunakan  untuk  mengukur  kadar  gula  pada  cairan tebu yang belum diketahui konsentrasinya.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Perangkat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri  dari  LED  bright  dengan  panjang gelombang  puncak  625  nm,  fiber  optik multimode  dengan  diameter  core  2  mm  dari bahan  silika,  kuvet  sampel  panjang  3  cm, fotodioda pin BPW34, penguat transimpedansi dengan  tegangan  bias  1,5  volt  dan  hambatan beban  100  kΩ. Setelah  perangkat  keras  dan perangkat  lunaknya  terpasang  kemudian diujicobakan  pengukuran  terhadap  larutan gula yang telah dipersiapkan. Hasil pengujian pengukuran kadar gula oleh sistem yang telah dibuat  dalam  satuan  tegangan  seperti  grafik pada Gambar 2.
Gambar 2.  Hubungan kadar gula dan tegangan keluaran
Peningkatan  kadar  gula  menunjukkan penurunan tegangan keluaran. Ini menunjukkan  bahwa  makin  besar  kadar  gula makin  besar  serapan  intensitas  sinar  yang mengenainya  sehingga  intensitasnya  sinarnya makin  turun. Hal  ini  diamati  bahwa  sampel larutan  dengan  kadar  2  gram  hingga  20  gram dalam  1000  ml  air  (air  suling)  dengan perubahan  2  gram  per  1000  ml  air,  intersitas sinar  merah  (625  nm)  yang  merambat  di dalamnya  mengalami penurunan  mendekati linier.  Penurunan  intensitas  ini  mengakibatkan perubahan tegangan pada penguat transimpedansi.    Pemilihan  angka  kadar  gula dalam  cairan    tersebut  disesuaikan  keadaan  di lapangan  bahwa    kandungan  gula  cairan  tebu (rendemen) maksimum berada di sekitar harga kadar  (menggunakan  brixmeter)  yang  telah digunakan  di  atas.  Kemudian  pengamatan dilanjutkan melalui angka serapan seperti pada Gambar 3 berikut.
Gambar 3. Hubungan kadar gula dan koefisien serapan
Dari Gambar  3  tampak  bahwa  dengan meningkatnya  kadar  gula  dalam  larutan mempengaruhi  besarnya koefisien  serapan karena secara umum jika kadar gula meningkat menandakan koefisien  serapan juga  semakin meningkat, sehingga nilai µ (dalam persamaan 1) juga  akan  semakin  meningkat.  Ini disebabkan  karena  meningkatnya  kadar  gula dalam  larutan menandakan  komposisi gula dalam larutan lebih besar dari konsentrasi yang lebih  rendah. Hal  ini  menunjukkan  bahwa untuk  medium  cairan  mematuhi  hukum Lambert-Beer  penyerapan,  absorbansi  cepat berlalu  sepanjang  medium  cairan  mendekati linier (Doherty, 2007).
Berdasarkan dari pembahasan di atas, dapat dimengerti  bahwa  sistem  pengukuran  kadar gula  suatu  larutan  menggunakan  spektroskopi
dengan  sinar  LED  ini  dapat  digunakan  untuk mengetahui  kandungan  gula  pada  cairan  tebu, karena  selain  akurat  juga  tidak  merusak struktur  larutan  yang  diteliti.  Secara  umum, jika  semakin  tinggi  kadar  (kandungan)  gula pada  larutan  dipastikan  koefisien  serapan terhadap sinar yang digunakan semakin tinggi. Namun  untuk  diaplikasikan  secara  langsung pada  larutan  hasil  perasan  dari  tebu  yang digiling perlu kalibrasi ulang mengingat larutan perasan  tebu  tersebut  terdapat  bahan  terlarut selain  gula,  oleh  karena  itu  pada  tahun  II  dari penelitian  akan  dilanjutkan  dengan  penelitian lanjutan  yang  meliputi  kalibrasi  termasuk kalibrasi  programnya.  Sedangkan  beberapa kelebihan  pengukuran  dengan  metode  ini adalah  murah  karena  tidak  dibutuhkan keterlibatan  bahan  kimia  dan  hasilnya  cepat diperoleh.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  maka  dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Sistem brixmeter tahun  I yang terdiri  dari rangkaian  elektronik  dan  sensor untuk pengukuran  kadar  gula  (sukrosa)  secara optik dapat dibangun dengan menggunakan sumber  sinar,  transmisi  sinar  (fiber  optik), kuvet,    dan  rangkaian  sensor  (  fotodiode, opamp, dan hambatan). 2. Rangkaian  multiplekser,  pengolah  sinyal, dan  ADC,  dapat  dibangun  menggunakan modul  Arduino  untuk  perancangan  sebuah brixmeter.  Program  tambahan  untuk mengaktifkan  Arduino  juga  diperlukan pengaturan sinyal.
3. Dengan  teknologi  sistem  ini  maka brixmeter (tahun I) dapat berlangsung pada pengukuran kadar gula dapat berlangsung .

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Direktur  DP2M  Dikti Kemenristekdikti sebagai penyandang dana penelitian ini melalui hibah DP2M Dikti 2014.

## DAFTAR PUSTAKA
Aini,  F.N.,  Samian,  dan  Yasin,  M..  2013. Deteksi Kadar Glukosa dalam Air Destilasi Berbasis Sensor Pergeseran  Menggunakan Fiber  Coupler .  Jurnal  Fisika  dan Terapannya Volume 1, No. 1, 2013 (hal. 1- 7).
Artanto..  2012. Interaksi  Arduino  dan LabVIEW .  Jakarta: PT  Elex  Media Komputindo.
Bitter, Rick, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki. 2007. LabVIEW TM Advanced  Program  ing Techniques  Second  Edition
.  New  York: Taylor & Francis Group, LLC. Doherty,  W.  2007. A  Preliminary  Assessment Of  Methods  To  Measure  In  Field  Sugar Loss ,  Queensland Univ. of Tech. - Project SR1141, Australia. Ginting,  Allo,  Mamahit, & Tuung.  2013. Perancangan  Alat  Ukur  Kekeruhan  Air Menggunakan Light  Dependent  Resistor Berbasis    Mikrokontroler  Atmega  8535 . Manado:  Universitas  Sam  Ratulangi.  E- Journal Teknik Elektro dan Komputer. Johnson,.  2010. Optical  fibre,  Cables  and System . Genewa: International Telecommunication Union. Halvorse,  Hans-Petter.  2014. Introduction  to LabVIEW .  Norwegia:  Telemark  University College. Malvino,  Albert  Paul.  1985. Semiconductor Circuit  Approximation:  An  Introduction  to Transistors  and  Integrated  Circuit  Fourth
Edition . McGraw-Hill, Inc.
McCarthy,  S.  G.  2003. The  integration  of sensory control for a sugar cane harvester . Australia: University of Southern Queensland. Mehrotra,  R.  and  Siesler,  H.  W.  2003. Application  of  mid  infrared/near  infrared spectroscopy in  sugar industry . New Delhi National Physical Laboratory. Appl. Spectroscopy  Reviews.  Volume  38:  hal 307–354. Nawi,  N.M.,  Troy  J.,  and  Guangnan  C.  2012. The  Application  of  Spectroscopic  Methods to  Predict  Sugarcane  Quality  Based  on Stalk  Cross-sectional  Scanning. Journal
American  Society  of  Sugar  Cane Technologists, Vol. 32, 2012. Sedra,  Adel  S. Kenneth  C.  Smith.  1987.
Microelectronc  Circuits,  Second  Edition . CBS College Publishing.
Yasin M., Harun S. W., Yang H. Z. and Ahmad
H. 2010. Fiber Optic Displacement Sensor for Measurement of Glucose Concentration in  Distilled  Water, Optoelectronics  and Advanced Materials – Rapid Communications ,  Volume  4,  No.  8 (page: 1063-1065). Valderrama, P., Braga, J. W. B. & Poppi, R. J.
2007. Validation of multivariate calibration models  in  the  determination of  sugar  cane quality  parameters  by  Near  Infrared
Spectroscopy . Brazil: Instituto de Química, Universidade  Estadual  de  Campinas.  J. Braz. Chem. Soc., Volume 18: 259-266.