## Deteksi Keinggian Permukaan Air Menggunakan Dua Kanal Keluaran Fiber Coupler
Samian, Supadi, Putut Giri Tulus W. Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Email : samian@fst.unair.ac.id

## Abstrak
Ketinggian  permukaan  air  dapat  dideteksi  menggunakan  dua  kanal  keluaran fiber  coupler . Mekanisme  deteksi  menggunakan  prinsip  tekanan  hidrostatis  pada  membran  sehingga menyebabkan pergeseran reflektor yang merekat pada membran. Perubahan daya optis terjadi pada  cahaya  pantulan  dari  reflektor  yang  diterima  kanal  keluaran fiber  coupler .  Dua  buah sensor yang terdiri dari pasangan perangkat pergeseran reflektor (sistem membran-reflektor) dan  kanal  keluaran fiber  coupler yang  diletakkan  pada  ketinggian  berbeda.  Kedua  sensor mendeteksi ketinggian permukaan air secara bergantian pada daerah kerjanya masing-masing dan  secara  bersama-sama  pada  daerah  kerja  yang  saling  bersingungan.  Hasil  eksperimen untuk  proses  pengosongan  dan  pengisian  tangki  air  (histerisis)  menunjukkan  hasil  yang berbeda.  Karakteristik  sensor  yang  dihasilkan  antara  lain  jangkauan,  rentang  daerah  linier, sensitivitas, dan resolusi masing-masing sebesar  120 cm, 20 – 105  cm, 1,0 mV/cm, dan 0,6 cm  untuk  proses  pengisian  dan  120  cm,  5  –  100  cm,  0,8  mV/cm,  dan  0,8  cm  untuk  proses pengosongan.
Kata kunci : tekanan hidrostatis, kanal keluaran fiber coupler, perangkat pergeseran reflektor .

## I. Pendahuluan
Sistem  deteksi  ketinggian  zat  cair telah banyak dikembangkan. Metode  yang digunakan  antara  lain  mekanis,  elektris, elektro-mekanis,  ultrasonik  serta  metode optis. Metode optis dikembangkan berbasis pada modulasi panjang gelombang  dan  modusi  intensitas  cahaya. Penggunaan fiber  bragg  grating (FBG) yang terhubung dengan pelampung merupakan salah satu contoh metode optis berbasis  modulasi  panjang  gelombang (Kyung-Rak  S. et . al .,2009).  Sistem deteksi berbasis modulasi intensitas diterapkan  melalui  pengamatan  perubahan
intensistas  cahaya  pantulan  dari probe dari  bahan  transparan  (Pekka  R. et . al ., 1997) serta serat optik plastik yang dipoles bagian selubungnya (Lomer et . al ., 2007 ).
Kontak  langsung  terjadi  antara probe maupun  serat  optik  yang  dipoles  dengan zat cair yang diamati ketinggiannya.
Penggunaan  satu  kanal  keluaran fiber coupler bersama perangkat pergeseran  reflektor  atau  PPR  (sistem reflektor-membran)  telah  dikembangkan untuk  mendeteksi  ketinggian  air  (Samian dan  Supadi,  2011)  dan  bensin  (Samian et . al .,  2014).  Mekanisme  deteksi  tersebut berbasis modulasi intensitas dengan
memanfaatkan  prinsip  tekanan  hidrostatis. Perubahan  ketinggian  zat  cair  akan menyebabkan perubahan tekanan hdrostatis  pada  PPR  yang  berada  di  dasar tangki  air.  Karena  reflketor  pada  PPR merekat  pada  membran  yang  kontak langsung  dengan  zat  cair,  maka  reflektor mengalami  pergeseran.  Intensitas  cahaya pantulan  dari  reflektor  akan  mengalamim perubahan  kektika  masuk  ke  salah  satu kanal  keluaran fiber  coupler .  Dengan demikian  perubahan  kektinggian  zat  cair teramati  melalui  perubahan  intensitas cahaya.
Pengembangan selanjutnya dari
sistem fiber coupler -PPR untuk mendeteksi ketinggian air akan diketengahkan pada artikel ini.
Pengembangan  yang  dilakukan  adalah dengan  memanfaatkan  kedua  kanal fiber coupler bersama  dengan  dua  buah  PPR sebagai  dua  buah probe yang  bekerja secara  bersama-sama  maupun  bergantian untuk  mendeteksi  ketinggian  air.  Dengan metode ini, daerah kerja sensor ketinggian air  mengunakan  dua  buah  kanal  keluaran fiber coupler dapat ditingkatkan.

## II. Mekanisme kerja sensor
Sensor  ketinggian  air  dirancang bangun  dari  dua  komponen  utama  yaitu fiber  coupler dan  perangkat  pergeseran reflektor (PPR). PPR merupakan perangkat yang mentransformasi tekanan air menjadi
gerak translasi reflektor. Reflektor direkatkan  pada  membran  yang  berfungsi seperti pegas ketika menerima tekanan air. Dengan  demikian  pergeseran  reflektor terjadi  ketika  tekanan  air  perubah.  Desain sensor  secara  lengkap  diperlihatkan  pada Gambar 1.
Berdasarkan Gambar1, kedua kanal keluaran fiber  coupler difungsikan  untuk mendeteksi  perubahan  intensitas  cahaya pantulan  dari  kedua  PPR.  Kanal  keluaran pertama fiber coupler yang disebut sebagai kanal  sensing  1  berpasangan  dengan  PPR 1  yang  selanjutnya  disebut  sebagai probe
1.  Sedangkan  kanal  keluaran  kedua fiber coupler (kanal  sensing  2)  dipasangkan dengan  PPR  2  dan  disebut  sebagai probe
2.  Konfigurasi  sensor  adalah probe 1 berada  di  dasar  tangki  air  dan    dibuat mendeteksi ketinggian air dari dasar tangki sampai  setinggi h 1 .    Langkah  tersebut dilakukan  dengan  membuat  posisi  kanal sensing  1  berhimpit  dengen  reflektor  ( z =
0)  ketika  air  mencapai  ketinggian h 1 .
Probe 2  diletakkan  setinggi y 1 dan
Gambar 1. Desain sensor ketinggian zat cair menggunakan satu kanal keluaran fiber coupler
mendeteksi  ketinggian  air  dari  posisi y 1 sampai  ketinggian  air  yang  diinginkan (lebih tinggi dari h 1 ).
Mekanisme  deteksi  ketinggian  air oleh  sensor  adalah  sebagai  berikut: perubahan ketinggian air sampai ketinggian h 1 akan mnyebabkan pergeseran reflektor pada probe 1. Sebagai akibatnya,  perubahan  daya  optis  cahaya yang  diterima  oleh  kanal  sensing  1  akan mengalami perubahan. Demikian pula jika ketinggian  air  berubah  pada  rentang ketinggian y 1 sampai ketinggian maksimal yang  dinginkan,  maka  daya  optis  cahaya yang  diterima  oleh  kanal  sensing  2  pada probe 2  juga  mengalami  perubahan.  Jika posisi probe 2  ( y 1 )  lebih  kecil  dari h 1 , maka pada daerah ketinggian air ( h ) y 1  h  h 1 ,  deteksi  dilakukan  secara  serentak oleh probe 1 dan probe 2 dan hasil deteksi (perubahan  daya  optis  cahaya)  akan dijumlah melalui kanal deteksi. Perubahan daya  optis  cahaya  baik  oleh probe 1 maupun probe 2  akan  dikonversi  oleh detektor menjadi tegangan keluaran detektor.  Dengan  demikian  ketinggian  air akan  terdeteksi  melalui  tegangan  keluaran detektor.

## III. Eksperimen
Eksperimen dilakukan menggunakan  peralatan  yang  terdiri  dari laser diode (650 nm) dengan daya keluaran 30  mW, silicon  photodetector (Newport),
mikrovoltmeter  (Leybold),  tangki  air  dari bahan  gelas  berdiameter  6  cm  dengan tinggi  200  cm  yang  dilengkapi  dengan skala  (skala  terkecil  1  cm)  dan  keran pembuangan, multimode  fiber  coupler struktur  2  x  2  (diameter  1  mm,  panjang  1 m, split  ratio 50/50, insertion  lossi 3.7  – 5.6 dB,  dan excess  loss 1.6 dB), dua buah PPR,  dan  klem.  PPR  yang  terdiri  dari reflektor  dari  bahan  aluminium  (diameter 10  mm  dan  tebal  0,20  mm)  yang  merekat pada  membran  dari  bahan nitrile  polymer dan  holder  membran  berbentuk  silinder (tebal 80 μm dan berdiamter 14,6 mm).
Tahap  pertama  eksprimen  adalah melakukan karakterisasi PPR untuk mengetahui  karakteristik  masing-masing PPR  yang  digunakan.  Susunan  alat karakterisasi  PPR  diperlihatkan  pada Gambar  2.  Prosedur  karakterisasi  PPR yang pertama adalah mengaktifkan seluruh perangkat  yang  membutuhkan  catu  daya. Setelah  PPR  A  sebagai  bahan  uji ditempatkan  didasar  tangki,  maka  tangki diisi  air  sampai  setinggi  120  cm  (batas membran  tidak  mengalami  deformasi plastis).  Selanjutnya  menenpatkan  kanal sensing  1  dibuat  berhimpit  dengan reflektor  PPR  A.  Langkah  selanjutnya adalah mencatat tegangan keluaran detektor setiap air diturunkan 1 cm sampai tangki  kosong  Untuk  proses  pengisian tangki.  Untuk  proses  pengosongan  tangki,
pencatatan  tegangan  keluaran  dilakukan setiap air dalam tangki naik setinggi 1 cm. Pengisian  air  dilakukan  menggunakan pompa dengan aliran air dalam tangki naik secara  perlahan.  Langkah  tersebut  diulang untuk PPR B.
Tahap kedua adalah adalah merancang  bangun  sensor  ketinggian  air menggunakan  dua  buah probe .  Rancang bangun  didasarkan  pada  data-data  yang diperoleh  dari  proses  karakterisasi  PPR  A dan  PPR  B .  Probe 1  dibangun  dengan memasangkan kanal sensing 1 berhadapan dengan  reflektor  PPR  A  dan  ditempatkan di  dasar  tangki. Probe 2  dibangun  dengan memasangkan kanal sensing 2 dengan PPR B. Probe 2  diletakkan  setinggi  70  cm diatas probe .  Ketinggian  tersebut  dipilih dengan  memperhatikan  data  karakteristik PPR A dan PPR B. Demikian pula dengan batas  deteksi  ketinggian  air  oleh probe 1 dapat  diatur.  Dengan  demikian probe 1 dan probe 2  dapat  bekerja  secara bergantian  dan  bersama-sama  bergantung wilayah  ketinggian  air  yang  dikehendaki. Untuk mengkarakterisasi sensor ketinggian
air menggunakan dua kanal  keluaran fiber couple (dua probe ) susunan peralatan yang digunakan  diperlihatkan  pada  Gambar  3. Proses  karakterisasi  dilakukan  dengan mencatat  tegangan  keluaran  detektor ketika  ketinggian  air  diturunkan  setiap  1 cm.  Hal  yang  sama  dilakukan  yaitu mencatat  tegangan  keluaran  detektor ketika  air  diisikan  ke  dalam  tangki  untuk proses  pengisian.  Pencatatan  dilakukan ketika kenaikan air bertambah setiap 1 cm.
Pada  tahap  terakhir  dilakukan pengambilan  data  untuk  uji  stabilitas sensor.  Uji  stabilitas  dilakukan  untuk mendapat  resolusi  sensor.  Uji  stabilitas sensor dilakukan dengan mencatat tegangan keluaran pada saat ketinggian zat cair    mencapai  120  cm,  60  cm  dan  0  cm. Untuk masing-masing ketinggian dilakukan  pencatatan  keluaran  detektor dalam  periode  30  detik  selama  900  detik. Dari  uji  stabilitas  sensor  akan  diperoleh nilai  standart  deviasi  pengukuran.  Nilai resolusi  sensor  dihitung  dengan  cara membagi  nilai  standart  deviasi  dengan
Gambar 2. Set-up alat karakterisasi PPR.
Gambar 3 . Diagram skematik peralatan proses karakterisasi sensor ketinggian air menggunakan dua buah probe .
nilai  sensivitas  sensor  hasil  dari  proses karakterisasi sensor ketinggian air menggunakan dua probe .

## IV. Hasil dan Pembahasan
Hasil  karakterisasi  PPR  A  dan  PPR B  berupa  hubungan  antara  tegangan keluaran  terhadap  ketinggian  air.  Grafik histerisis proses pengisian dan pengosongan tangki untuk PPR A maupun PPR  B  diperilhatkan  oleh  grafik  pada Gambar 4.
Dalam  Gambar  4  tanpak  bahwa  hasil deteksi  ketinggian  untuk  proses  pengisian tidak  sama  dengan  proses  pengosongan tangki, baik untuk PPR A maupun PPR B. Sifat tersebut analog dengan sifat elastisitas pegas maupun fenomena- fenomena  alam  lainnya.  Untuk  daerah linier  hubungan  antara  tegangan  keluaran detektor  data  PPR  A  dan  PPR  B diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 4 . Grafik histerisis proses pengisian dan pengosongan tangki (A) untuk PPR A dan (B) untuk PPR B.
Gambar 5. Grafik hubungn linier antara tegangan keluaran detektor terhadap krtinggian air pada proses pengisian dan pengosongan tangki (A) untuk PPR A dan (B) untuk PPR B.
Daerah linier grafik pada Gambar 5 adalah  daerah  kerja  sensor  jika  hanya menggunakan  satu probe saja. Slope atau kemiringan grafik pada Gambar 5 merupakan  sensitivitas  sensor.  Dari  data- data  yang diperlihatkan  melalui Gambar 4 dan  Gambar  5,  Karakteristik  PPR  A  dan PPR  B  sebagai  sensor  ketinggian  air menggunakan  satu probe diperlihatkan melalui Tabel 1. Nilai sensitivitas merupakan  nilai  yang  penting  dalam merancang  bangun  sensor  ketinggian  air menggunakan  dua  kanal  keluaran fiber coupler (dua probe ).  Nilai  sensitivitas yang  berdekatan  merupakan  faktor  yang menentukan  rentang  daerah  kerja  sensor menggunakan dua probe .
Parameter sensor Nilai untuk Proses pengisian tangki Proses pengosongan tangki PPR A PPR B PPR A PPR B Jangkauan (cm) 120 120 120 120 Rentang daerah kerja (cm) 5 – 70 5 – 70 5 – 70 5 – 70 Sensitivitas (mV/cm) 0,90 0,90 0,88 0,80
Setelah  data  karakteristik  PPR  A dan  PPR  B  sebagai  sensor  menggunakan satu probe ,  maka  data  tersebut  digunakan untuk merancang bangun sensor ketinggian air menggunakan dua probe .
PPR  A  bersama  dengan  kanal  sensing  1 merupakan  komponen  penyusun probe 1 yang  berada  di  dasar  tangki.  PPR  B bersama kanal sensing 2 dijadikan probe 2 dan  diletakkan  setinggi  70  cm  di  atas probe 1.  Dengan  memperhatikan  rentang daerah  dibawah  5  cm  untuk  PPR  B  dan daerah  diata  70  cm  untuk  PPR  A,  maka probe 1 dibuat melakukan deteksi ketinggian  air  dari  dasar  tangki  sampai setinggi  80  cm.  Cara  yang  dilakukan adalah dengan menempatkan kanal sensing 1 berhimpit dengan reflektor PPR A ketika ketinggian  air  mencapai  80  cm.  Saat berhimpit  dengan  reflektor,  reflektor  tidak akan  bergeser  meskipun  ketinggian  air bertambah. Untuk probe 2 akan melakukan deteksi ketinggian air mulai 70 cm  sampai  ketinggian  120  cm  yang merupakan  ketinggian  maksimal  yang dilakukan eksperimen (ketinggian maksimum bagi membran PPR A mengalami  deformasi  plastis).  Sementara itu, untuk ketinggian air dari 70 cm sampai 80  cm  akan  didetksi  secara  bersama-sama oleh probe 1  dan probe 2.  Hasilnya  akan dijumlahkan  melalui  daerah  interkasi kopling fiber  coupler .  Dengan  konfigurasi dua probe tersebut, hasil deteksi kektinggian air diperlihatkan oleh Gambar 6  dan  daerah  liniernya  diperlihatkan  oleh Gambar 7.
Tabel 1. Karakteritik PPR A dan PPR B sebagai sensor ketinggian air menggunakan 1 probe .
Dari  data  pada  Gambar  6,  seperti  hasil karakterisasi  PPR,  terlihat  bahwa  deteksi ketinggian  air  menggunakan  dua probe hasilnya  tidak  sama  antara  pengisian  dan pengosongan tangki oleh air. Semntara itu untuk  daerah  linier  yang  merupakan daerah  kerja  sensor,  terjadi  kenaikan dibanding  sensor  menggunakan  sebuah probe .  Meskipun  kenaikan  daerah  kerja tidak  menjadi  dua  kali  seperti  yang diperkirakan,  namun  penggunaan  dua probe mampu  meninkatkan  kinerja  sensor dalam mendeteksi ketinggian air.
Hasil uji stabilitas sensor merupakan  data  perubahan  tegangan keluaran  detektor  setiap  periode  25  detik selama  900  detik.  Data  tersebut  diambil ketika  ketinggian  air  berada  pada  posisi minimum  (0  cm),  medium  (60  cm),  dan maksimum  (120  cm).  Data  hasil  uji stabilitas sensor diperlihatkan pada Gambar  8.  Nilai  standart  deviasi  rata-rata
yang  dihasilkan  sebesar  0,6  mV,  artinya tingkat  kesalahan  pembacaan  oleh  sensor sebesar  0,6  mV.  Nilai  standart  deviasi tersebut digunakan untuk menentukan nilai resolusi  dari  sensor  menggunakan  dua buah probe .  Nilai  resolusi  ditentukan dengan  membagi  nilai  standart  deviasi dengan  nilai  sensitivitas  sensor.  Nilai resolusi  hasil  perhitungan  adalah  0,6  cm dan  0,8  cm  masing-masing  untuk  proses pengisian dan pengosongan tangki. Dengan diperolehnya nilai resolusi sensor, karakteristik sensor ketinggian air
300,0 310,0 320,0 330,0 340,0 350,0 360,0 370,0 380,0 390,0 400,0 0 20 40 60 80 100 120 140 ketinggian air (cm) te g a n g a n k e lu a ra n d e te k to r (m V ) data pengisian data pengosongan
Gambar 6 . Grafik histerisis proses pengisian dan pengosongan tangki air hasil deteksi sensor menggunakan dua buah kanal keluaran fiber coupler (dua buah probe ).
Gambar 7 . Grafik linier data hasil deteksi sensor menggunakan dua buah kanal keluaran fiber coupler (A) untuk prosesn pengisian dan (B) untuk proses pengosongan.
V = 0,9942h + 289,99 R2 = 0,9964 300,0 310,0 320,0 330,0 340,0 350,0 360,0 370,0 380,0 390,0 400,0 20 40 60 80 100 ketinggian air (cm) te g a n g a n k e lu a ra n d e te k to r (m V ) data pengisian Linear (data pengisian) V = 0,8183h + 300,55 R2 = 0,9803 300,0 310,0 320,0 330,0 340,0 350,0 360,0 370,0 380,0 390,0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 ketinggian air (cm) te g a n g a n k e lu a ra n d e te k to r (m V ) data pengosongan Linear (data pengosongan) (A) (B)
menggunakan dua buah probe diperlihatkan melalui Tabel 2.
Parameter sensor Nilai untuk Proses pengisian tangki Proses pengosongan tangki Jangkauan (cm) 120 120 Rentang daerah kerja (cm) 20 – 105 5 – 100 Sensitivitas (mV/cm) 1,0 0,8 Resolusi (cm) 0,6 0,8
Karakteristik  sensor  ketinggian  air menggunakan  dua  kanal  keluaran fiber coupler seperti  yang  diperlihatkan  pada Tabel  2  menunjukkan  kinerja  yang  baik. Peningkatan  kinerja  terjadi  dibanding sensor  menggunakan  satu  kanal  keluaran fiber coupler. Peningkatan kinerja tersebut
terjadi pada daerah kerja sensor yaitu 30,1 % untuk proses pengisian dan 46 % untuk proses  pengosongan.  Desain  sensor  yang
sederhana,  pengoperasian  dan  intepretasi yang  mudah  memberikan  prospek  yang bagus  bagi  aplikasi  sensor  ketinggian  air menggunakan  dua  kanal  keluaran fiber coupler untuk  diaplikasikan  dibidang industri.  Penggunaan  lebih  dari  satu fiber
coupler sebagai sensor sangat memungkinkan untuk mendeteksi ketinggian  air  yang  lebih  tinggi  dari  yang diperoleh saat ini.

## V. Kesimpulan
Deteksi ketinggian air dapat dilakukan menggunakan dua kanal keluaran fiber  coupler dengan  hasil meningkatnya rentang daerah kerja sensor. Peningkatan  daerah  kerja  sensor  sebesar 30,1  %  dan  46  %  masing-masing  untuk proses  pengisian  dan  pengosongan  tangki air. Hasil eksperimen juga memperlihatkan perbedaan  nilai  deteksi  untuk  proses pengisian  dan  pengosongan  tangki  air. Karakteristik sensor yang dihasilkan antara lain  jangkauan,  rentang  daerah  linier, sensitivitas,  dan  resolusi  masing-masing sebesar 120 cm, 20 – 105 cm, 1,0 mV/cm, dan 0,6 cm untuk proses pengisian dan 120 cm,  5  –  100  cm,  0,8  mV/cm,  dan  0,8  cm untuk proses pengosongan.

## VI. Referensi
Kyung-Rak Sohn, Joon-Hwan Shim, 2009,
Liquid-Level Monitoring Sensor Systems  Using  Fiber  Bragg  Grating
250 270 290 310 330 350 370 390 410 0 200 400 600 800 1000 waktu (detik) te g a n g a n k e lu a ra n d e te k to r (m V ) data untuk ketinggian minimum data untuk ketinggian medium data untuk ketinggian maksimum
Gambar 8 . Grafik data hasil uji stabilitas sensor
Tabel 2. Karakteritik sensor ketinggian air menggunakan dua buah probe .
Embedded  In  Cantilever,  Sensors and Actuators , A 152: 248–251.
Lomer,  M.,  J.  Arrue  ,  C.  Jauregui,  P.
Aiestaran,  J.  Zubia,  J.M.  L´opez-
Higuera,  2007, Lateral  Polishing  of Bends  In  Plastic  Optical  Fibres
Applied to A Multipoint Liquid-Level measurement  sensor,  Sensors  and Actuators , A 137: 68–73.
Pekka  Raatikainen  ,  Ivan  Kassamakov  ,
Roumen Kakanakov , Mauri Luukkala, 1997, Fiber-Optic Liquid-
Level Sensor, Sensors and Actuators ,
A 58: 93–97
Samian,  Supadi,  2011, Sensor  Ketinggian
Air  Menggunakan  Multimode  Fiber Coupler,
Jurnal Fisika dan
Aplikasinya, Vol. 7, No. 2 .
Samian,  G.Y.Y.  Yhosep,  A.H.  Zaidan, Herlik  Wibowo,  2014, Gasoline level  sensor  based  on  displacement sensor using fiber coupler ,
Measurement, 58, 342–348.