Sensor Ketinggian Air Menggunakan Concentric Bundle Probe
Samian 1* , A. H. Zaidan 1
1 Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga Surabaya
*E-mail : samian@fst.unair.ac.id

## Abstract
Concentric  bundled  probe  can  be  utilized  to  detect  liquid  level  based  on  displacement sensor.  The  working  mechanism  of  the  sensor  is  detecting  reflector  displacement  which attached on membrane due to level liquid changes. Reflector displacement can be detected on  reflection  of  light  intensity  changes  from  incoming  reflector  to  receiver  fiber.  The receiver fibers are surrounding its transmitter fiber. The using of one layer of membrane of nitrile polymer with 0.08 mm thickness produce the linear region of 100 cm with 0,9 cm resolution.
Keyword: water level sensor, concentric bundle probe , displacement sensor

## Abstrak
Concentric  bundle  probe dapat  dimanfaatkan  untuk  mendeteksi  ketinggian  air  dengan berbasis  pada  sensor  pergeseran. Mekanisme  kerja  sensor  adalah  mendeteksi  pergeseran reflektor  yang  merekat  pada  membran  akibat  perubahan  ketinggian  zat  cair.  Pergeseran reflektor terdeteksi melalui perubahan intensitas cahaya pantulan dari reflektor yang masuk fiber optik penerima yang mengelilingi fiber optik pemancar cahaya. Penggunaan satu lapis membran  dari  bahan nitrile polymer dengan  tebal  0,08  mm  menghasilkan  daerah  kerja sensor sebesar 100 cm dengan resolusi sebesar 0,9 cm .
Kata Kunci : sensor ketinggian air, concentric bundle probe , sensor pergeseran.

## 1. Pendahuluan
Penggunaan  bahan  magnetik  dalam  bentuk  cair/koloid  ( ferrofluid )  Penelitian  tentang  aplikasi fiber optik sebagai sensor ketinggian zat cair telah banyak dilakukan, baik ragam maupun konfigurasinya. Penggunaan  fiber  optik  dari  bahan  plastik  yang  dipoles  bagian  claddingnya  telah  digunakan  untuk mendeteksi ketinggian zat cair secara diskontinyu  1  . Fiber optik yang dipoles dilengkungkan seperti huruf U dan berfungsi sebagai saklar yang diletakkan pada beberapa ketinggian dalam tangki zat cair. Deteksi  ketinggian  zat  cair  juga  dapat  dilakukan  menggunakan  sepasang fiber  optik yang  letaknya berdampingan ( fiber bundle dengan tipe probe sepasang fiber optik ) dan dihubungkan dengan elemen transparan  berbentuk  kerucut  2  dan  prisma  3,4  .  Sistem  deteksi  didasarkan  pada  perubahan intensitas  cahaya  yang  mengalami  pemantulan  dari  dalam probe ketika probe tersebut  bersentuan dengan  zat  cair.  Perubahan  intensitas cahaya  tersebut  kemudian  diterima  oleh  salah  satu fiber  pada fiber  bundle.  Pembacaan  ketinggian  zat  cair  dilakukan  dengan  menggerakkan probe untuk menemukan  keberadaan  zat  cair.  Teknik  lain  dalam  mendeteksi  ketinggian  zat  cair  dilakukan menggunakan fiber Bragg grating  5  tipe tapered chirped  6  dan long periode  7  yang terhubung dengan pelampung. Pada teknik ini, perubahan ketinggian zat akan diikuti oleh perubahan kedudukan pelampung  yang  akan  mengubah  periode  kisi.  Perubahan  periode  kisi  tersebut  terbaca  melalui perubahan  panjang  gelombang  Bragg  pantulan  dari  kisi.  Sistem  yang  lain  dalam  mendeteksi ketinggian  zat  cair  adalah  menggunakan fiber  coupler  8  .  Sistem  ini  prinsip  kerjanya  berdasarkan sensor  pergeseran  menggunakan fiber coupler .  Pergeseran  reflektor  yang  direkatkan  pada  membran akan  terjadi  akibat  perubahan  ketinggian  zat  cair  (perubahan  tekanan  hidrostatis).  Pergeseraan reflektor tersebut akan mengubah intensitas cahaya pantulan dari reflektor yang diterima oleh salah satu kanal keluaran fiber coupler .
http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485
Received
9 Desember 2017
Revised 10  Januari 2018
Accepted for Publication
19 Pebruari 2018
Published
19 Pebruari 2018 This work is licensed under a Creative Commons Attribution- ShareAlike 4.0 International License .

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)
Fiber  bundle merupakan  perangkat  optik  yang  terbuat  dari fiber  optik .  Berdasarkan  fungsinya sebagai sensor, fiber bundle digolongkan  menjadi  dua jenis  yaitu fiber  bundle dengan probe terdiri dari sepasangan fiber optik ( a pair bundle probe ) dan lebih dari dua buah fiber optik dengan dengan konfigurasi sebuah fiber optik berada di tengah, fiber optik lainnya mengelilingi ( concentric bundle probe ). Biasanya fiber optik yang berada di tengah difungsikan sebagai pemancar cahaya dan yang lainnya  difungsikan  sebagai  penerima  cahaya. Concentric  bundle  probe telah  mampu  digunakan untuk  mendeteksi  pergeseran  reflektor  dengan  cukup  baik  9  .  Berdasarkan  kemampuan  tersebut, dalam  artikel  ini  akan  diperlihatkan  kemampuan concentric  bundle  probe dalam  mendeteksi ketinggian zat cair, dalam hal ini zat cair yang digunakan adalah air.

## 2. Desain dan Prinsip Kerja Sensor
Desain  sensor  ketinggian  zat  cair  diperlihatkan  pada  Gambar  1(a).  Komponen-komponen  sensor terdiri dari laser sebagai sumber cahaya, detektor optik, concentric bundle probe , dan tangki sebagai wadah  air.  Pada  bagian  dasar  tangki  terdapat  perangkat  pergeseran  reflektor  (PPR)  seperti diperlihatkan  pada  Gambar  1(b).  PPR  terdiri  dari  reflektor  (plat  datar)  yang  direkatkan  pada membrane.  Reflektor  akan  bergeser  ( z’ )  jika  terjadi  perubahan  tekanan  hidrostatis  ( P h )  akibat perubahan ketinggian zat cair ( h ).
Mekanisme  kerja  sensor  ketinggian  zat  cair  adalah  cahaya  keluaran  dari fiber pemancar  akan dipantulkan  oleh  reflektor  dan  diterima  oleh fiber penerima.  Perubahan  ketinggian  zat  cair mengakibatkan  pergeseran  reflektor,  sebagai  akibatnya  jarak  antara  reflektor  terhadap probe sensor (z) akan berubah. Perubahan nilai z tersebut akan mengakibatkan perubahan intensitas cahaya yang diterima  oleh fiber penerima  dan  terbaca  oleh  detektor  optis.  Dengan  demikian  ketinggian  zat  cair terdeteksi  melalui  perubahan  intensitas  cahaya  yang  terbaca  pada  detektor  optis  (dalam  hal  ini perubahan tegangan keluaran detektor).

## 3. Eksperimen
Set - up eksperimen    diperlihatkan  oleh  Gambar  2  yang  terdiri  dari  laser  semikonduktor  (panjang gelombang  630  nm  dan  daya  10  mW),  detektor  optis  (818  SL  Newport), concentric  bundle  probe (dari  bahan  plastik  dengan  konfigurasi  1  :  16 fiber ),  voltmeter  (digital  multimeter), xyz  translation stage digunakan untuk menggeser probe sensor, pompa air manual digunakan untuk memompa air ke dalam tangki, tangki berskala dari bahan akrilik (diameter 6 cm dan tinggi 200 cm). Pada bagian dasar tangki terdapat kran yang digunakan untuk mengeluarkan air dan PPR yang terbuat dari aluminium (diameter 10 mm dan tebal 0,20 mm) sebagai reflektor, membran ( nitrile polymer ) dengan tebal 0,08 mm,  dan holder membran  yang  terbuat  dari  bahan  kuningan  dengan  diameter  luar  18  mm  dan diameter dalam 15 mm. Reflektor direkatkan pada membran menggunakan lem epoxy. Dua jenis PPR yang digunakan dalam eksperimen yaitu PPR 1 dan PPR 2 yang masing-masing terdiri dari 1 dan 2 lapis membran.
Gambar 1. Desain sensor ketinggian zat cair menggunakan concentric bundle probe .
Gambar 2. Set - up eksperimen sensor ketinggian air menggunakan concentric bundle probe .
Langkah  pertama  eksperimen  adalah  mengkarakterisasi  pergeseran probe sensor  terhadap reflektor pada PPR. Langkah tersebut dilakukan dengan menempatkan probe sensor berada ditengah- tengah dan berhimpit dengan refelktor PPR 1 saat tangki dalam keadaan kosong. Pencatatan tegangan keluaran  detektor  dilakukan  setiap probe digeser  mundur  sebesar  100  m.  Pergeseran probe dilakukan  menggunakan xyz  translation  stage .  Langkah  kedua  adalah  mengkarakterisasi  sensor ketinggian air pada proses pengosongan tangki. Langkah kedua diawali dengan mengisi tangki dengan air  setinggi  150  cm,  kemudian  menempatkan probe berhimpit  dengan  reflektor  PPR  1(z  =  0  mm). Batas  ketinggian  air  dipilih  150  cm  dikarenakan  kemampuan  membran  satu lapis  menahan tekanan hidrostatis maksimal pada ketinggian tersebut (untuk tinggi air lebih dari 150 cm, membran satu lapis dikhawatirkan mengalami deformasi). Selanjutnya, pencatatan tegangan keluaran detektor dilakukan setiap  ketinggian  air  diturunkan  sebesar  1  cm.  Setelah  tangki  dalam  keadaan  kosong,  dilakukan pengukuran  posisi  z 0 ,  yaitu  posisi probe sensor  terhadap  reflektor  ketika  tangki  dalam  keadaan kosong. Pengukuran dilakukan menngunakan xyz translation stage . Setelah itu, probe dikembalikan ke  tempat  semula  (z  =  0  mm).  Selanjutnya  dilakukan  langkah  ketiga  yaitu  karakterisasi sensor  saat pengisian  tangki  dengan  air.  Langkah  ketiga  dilakukan  dengan  cara  mengisi  tangki  dengan  air menggunakan pompa. Setiap ketinggian air bertambah 1 cm, pencatatan tegangan keluaran detektor dilakukan. Pencatatan tersebut dilakukan sampai tinggi maksimal air dalam tangki sama seperti saat proses  pengosongan.  Proses  pengambilan  data  pengosongan  dan  pengisian  tangki  diulang  sebanyak tiga  kali.  Ketiga  langkah  tersebut  dilakukan  untuk  PPR  2.  Karena  PPR  2  tersusun  atas  dua  lapis membran sehingga mampu menahan tekanan hidrostatis lebih besar dari pada PPR 1, maka ketinggian maksimal air yang diberlakukan dalam eksprimen menggunakan PPR 2 adalah setinggi tangki yang digunakan yaitu 200 cm. Langkah terakhir adalah uji stabilitas sensor. Uji stabilitas sensor dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran detektor dalam rentang waktu 30 sekon selama 720 sekon. Uji stabilitas dilakukan pada rentang daerah kerja sensor (daerah yang mana hubungan tegangan keluaran detektor linier terhadap ketinggian air) yang terbagi pada beberapa titik ketinggian air.

## 4.  Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi  pergeseran probe sensor  terhadap  reflektor  untuk  PPR  1  dan  PPR  2  masing-masing menghasilkan  data  hubungan  tegangan  keluaran  detektor  (V)  terhadap  pergeseran probe (z).  Data tersebut diperlihatkan melalui grafik pada Gambar 3. Dari Gambar 3, tampak bahwa pola hubungan tegangan keluaran detektor terhadap pergeseran probe untuk kedua PPR hampir sama, artinya kedua PPR hampir identik. Dari grafik dapat disimpulkan bahwa terdapat dua daerah yaitu daerah dengan kemiringan positif ( front slope ) dan kemiringan negatif ( back slope ). Untuk front slope , rentangnya sebesar 1 mm dan sisanya (8 mm) merupakan rentang untuk back slope . Untuk rentang keseluruhan (0-8 mm) disebut rentang dinamik ( dinamic range ).
Gambar 3. Grafik karakteristik pergeseran probe sensor terhadap reflektor untuk PPR 1 dan PPR 2.
Gambar 4. Grafik hasil karakterisasi sensor ketinggian air menggunkan PPR 1 dan PPR 2 untuk proses pengosongan dan pengisian tangki air.
Karakterisasi  sensor  ketinggian  air  air  untuk  proses  pengosongan  dan  pengisian  tangki menghasilkan  data  tegangan  keluaran  detekktor  sebagai  fungsi  ketinggian.  Untuk  kedua  PPR  yang digunakan,  datanya  diperlihatkan  melalui  grafik  pada  Gambar  4.  Hasil  pengukuran  nilai  z 0 untuk sensor menggunakan PPR 1 dan PPR 2 masing-masing sebesar 7,7 mm dan 4,8 mm.
Hubungan antara tegangan keluaran detektor terhadap ketinggian air berkebalikan dengan grafik hasil karakterisasi pergeseran probe . Hal tersebut terjadi karena saat ketinggian  air maksimal, jarak antara probe terhadap  reflektor  menjadi  minimal,  demikian  sebaliknya.  Dalam  rentang  dinamik deteksi  ketinggian  air,  terdapat  dua  titik  ketinggian  yang  berbeda  tapi  mempunyai  nilai  tegangan keluaran  detektor  yang  sama  yaitu  pada  daerah front  slope dan  daerah back  slope .  Oleh  karena  itu tidak semua rentang dinamik dapat dapat digunakan untuk mendeteksi ketinggian air. Oleh karena itu dilakukan  lagi  karakterisasi  sensor  ketinggian  air  dengan  ketinggian  air  yang  dibatasi  agar  hanya menghasilkan  daerah front  slope saja.  Dipilih  daerah front  slope saja  dengan  pertimbangan jangkauannya  lebih  besar  dari  pada  daerah back  slope .  Karakterisasi  dilakukan  dengan  jarak probe terhadap reflektor saat ketinggian air 0 cm (z 0 ) bernilai sama seperti eksperimen pertama yaitu 7,7 mm untuk PPR 1 dan 4,8 mm untuk PPR 2. Batas ketinggian air maksimal diberlakukan dengan mengacu pada  data  pada  Gambar 3.  Hasil  karakterisasi ulangan  diperlihatkan  melalui  grafik  pada  Gambar  5. Kesalahan pengukuran pada PPR 1 rata-rata sebesar 1,2 mV dan 0,6 mV masing-masing untuk proses pengosongan  dan  pengisian  tangki.  Untuk  PPR  2,  kesalahan  pengukuran  rata-tata  yang  dihasilkan sebesar 0,5 mV dan 0,2 mV masing-masing untuk proses pengosongan dan pengisian tangki.  Dengan mengacu  pada  data  yang  diperlihatkan  melalui  grafik  pada  Gambar  5,  jangkauan  sensor  yang dihasilkan untuk PPR 1 dan PPR 2 masing-masing sebesar 130 cm dan 150 cm.
Gambar 5. Grafik hasil karakterisasi sensor ketinggian air dengan ketinggian air yang dibatasi untuk menghasilkan daerah front slope .
Hasil  karakterisasi  sensor  memperlihatkan  bahwa  deteksi  ketinggian  air  untuk  proses pengosongan  dan  pengisian  tangki  ( histerisis )  nilainya  tidak  sama.  Hal  tersebut  terjadi  karena  sifat relaksasi  membran  setelah  mendapat  tekanan.  Semakin  besar  membran  mendapat  tekanan,  semakin lama  waktu  relaksasinya.  Beda  nilai  tegangan  keluaran  detektor  pada  ketinggian  yang  sama  untuk proses pengosongan dan pengisian rata-rata sebesar 7,2 mV dan 8,3 mV masing-masing untuk PPR 1 dan PPR 2.
Daerah kerja sensor merupakan daerah yang mana hubungan antara tegangan keluaran detektor (V)  linier  terhadap  ketinggian  air  (h).  Oleh  karena  itu  dilakukan  uji  linier  antara  V  terhadap  h menggunakan  program  regresi  linier.  Hasilnya  diperlihatkan  pada  Gambar  6.  Rentang  daerah  linier yang  dihasilkan  sebesar  0-100  cm  dan  0-135  cm  masing-masing  untuk  PPR  1  dan  PPR  2  dengan tingkat kelinieran lebih dari 99%. Slope grafik linier yang dihasilkan merupakan nilai dari sensitivitas sensor. Dari data dalam Gambar 6, sensitivitas sensor menggunakan PPR 1 bernilai 0,43 mV/cm dan 0,35  mV/cm  masing-masing  untuk  proses  pengosongan  dan  pengisian  tangki.  Untuk  PPR  2  nilai sensitivitanya sebesar 0,34 mV/cm dan 0,29 mV/cm masing-masing untuk proses pengosongan.
Hasil uji stabilitas sensor berupa data tegangan keluaran detektor terhadap waktu yang diukur pengukuran di empat ketinggian berbeda. Data tersebut diperlihatkan melalui grafik pada Gambar 7. Nilai standart deviasi rata-rata yang dihasil untuk PPR 1 dan PPR 2 bernilai sama, yaitu sebesar 0,4 mV. Dari nilai standart deviasi yang diperoleh, dapat ditentukan nilai resolusi sensor. Resolusi sensor ditentukan  dengan  cara  membagi  nilai  standart  deviasi  dengan  nilai  sensitivitas  sensor.  Hasil perhitungan  menunjukkan  bahwa  resolusi  sensor  bernilai  0,9  cm  dan  1,1  cm  masing-masing  untuk proses pengosongan dan pengisian tangki untuk PPR 1 serta 1,2 cm dan 1,4 cm masing-masing untuk proses  pengosongan  dan  pengisian  tangki  untuk  PPR  2.  Terlihat  bahwa  resolusi  pada  proses pengosongan  lebih  baik  nilainya  dari  pada  proses  pengisian  serta  resolusi  pada  RDD  1  lebih  baik nilainya  dari  pada  RDD  2.  Hal  tersebut  dapat  dipahami  karena  RDD  1  (menggunkan  satu  lapis membran)  lebih  elastis  daripada  RDD  2  (menggunakan  dua  lapis  membran.  Secara  keseluruhan, karakteristik sensor ketinggian air menggunakan concentric bundle probe diperlihatkan pada Tabel 1. Dari  nilai  parameter  yang  tertera  dalam  Tabel  1,  terlihat  daerah  kerja  sensor  (daerah  linier) menggunakan  PPR  2  lebih  besar  dari  pada  menggunakan  PPR  1.  Jika  dilihat  dari  nilai  sensitivitas sensor  yang  berimplikasi  pada  nilai  resolusi  sensor,  maka  kinerja  sensor  menggunakan  PPR1  lebih baik dari pada menggunakan PPR 2. Artinya, sensor menggunkan PPR 1 lebih teliti dari pada sensor menggunakan PPR 2. Dari hasil eksperimen ini, concentric bundle probe dapat dijadikan salah satu perangkat  pilihan  untuk  mendeteksi  ketinggian  air  dengan  karakteristik  sensor  seperti tertera  dalam Tabel  1.  Penggunaan  membran  berbahan nitrile polymer bahkan  telah  dapat  digunkan  untuk mendeteksi ketinggian bahan bakar berupa bensin  8  .
Gambar 6. Grafik hubungan linier antara tegangan keluaran detektor terhadap ketinggian air untuk proses pengosongan dan pengisian tangki untuk PPR 1 dan PPR 2.
Gambar 7. Grafik hasil uji stabilitas sensor untuk (a) PPR 1 dan (b) PPR 2.
Tabel 1 . Karakteristik sensor ketinggian air menggunakan concentric bundle probe .
Parameter Nilai Parameter PPR 1 PPR 2 pengosongan pengisian pengosongan pengisian Jangkauan (cm) 130 130 150 150 Daerah linier (cm) 0-100 0-100 0-135 0-135 Sensitivitas (mV/cm) 0,43 0,35 0,34 0,29 Resolusi (cm) 0,9 1,1 1,2 1,4

## 5.  Kesimpulan
Concentric  bundle  probe dapat  diaplikasikan  sebagai  sensor  ketinggian  air  dengan  berbasis  pada sensor  pergeseran.  Prinsip  kerja  sensor  dengan  memanfaatkan  perubahan  tekanan  hidrostatis  akibat perubahan  ketinggian  zat  cair  untuk  menggeser  reflektor.  Hasil  eksprimen  memperlihatkan penggunaan membran satu lapis sebagai perangkat pergeseran reflektor menghasilkan kinerja sensor yang terbaik dengan resolusi dan daerah kerja sensor masing-masing sebesar 0,9 cm dan 100 cm.

## Daftar Rujukan
 1  M.  Lomer,  J.  Arrue,  C.  Jauregui,  P.  Aiestaran,  J.  Zubia,  J.M.  Lopez-Higuera,  Lateral polishing of bends in plastic optical fibres applied to a multipoint liquid-level measurement sensor, Sens. Actuators A 137 (2007) 68 – 73.  2  Pekka  Raatikainen,  Ivan  Kassamakov,  Roumen  Kakanakov,  Mauri  Luukkala,  Fiber-optic liquid-level sensor, Sens. Actuators A 58 ( 1997 ) 93 – 97.  3  Chengning  Yang,  Shiping  Chen,  Guoguang  Yang,  Fiber  optical  liquid  level  sensor  under cryogenic environment, Sens. Actuators A 94 (2001) 69 – 75.  4  Hossein Golnabi, Design and operation of a fiber optic sensor for liquid level detection, Opt. Lasers Eng. 41 (2004) 801 – 812.  5  Kyung-Rak  Sohn,  Joon-Hwan  Shim,  Liquid-level  monitoring  sensor  systems  using  fiber Bragg grating embedded in cantilever, Sens. Actuators A 152 (2009) 248 – 251.  6  DONG  XiaoWei,  LIU  WenKai  &  ZHAO  RuiFeng,  Liquid-level  sensor  based  on  tapered chirped fiber grating, Sci. China Tech. Sci. 56 ( 2) (2013) 471 – 474.  7  Jian-Neng Wang, Ching-Ying Luo, Long-period fiber grating sensors for the measurement of liquid level and fluid-flow velocity, Sensors 12 (2012) 4578 – 4593.  8  Samian,  G.Y.Y.  Yhosep,  A.H.  Zaidan,  Herlik  Wibowo,  Gasoline  level  sensor  based  on displacement sensor using fiber coupler, Measurement 58 (2014) 342 – 348.  9  M. Yasin, S. W. Harun, H. A. Abdul-Rashid, Kusminarto, Karyono, A. H. Zaidan, H. Ahmad, Performance  of  optical  displacement  sensor  using  a  pair  type  bundled  fiber  from  a  theoretical  and experimental perspective, J. Optoelectron. Adv. Mater. – Rapid Commun.1 (11) (2007) 549 – 553.