Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.022.08
ANALISIS PENGARUH SUHU MINYAK KELAPA SAWIT (CPO) TERHADAP NILAI TAHANAN TERMAL MEMPERGUNAKAN PEMODELAN KURVA I(V) ISOTERMAL SENSOR PTC
Dellia Yulita a) , Lazuardi Umar b)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Riau, Sp. Panam Pekanbaru
Email: a) dellia.yulita@gmail.com, b) lazuardi@unri.ac.id

## Abstrak
Level  sensor  PTC  sebagai overfill  protection bekerja  berdasarkan  nilai  tahanan  termal  (Rw).  Sensor kesulitan mengidentifikasi fluida bersuhu tinggi dalam menentukan switching pompa “ON” dan “OFF”, karena nilai Rw dipengaruhi suhu medium. Analisa dilakukan dengan mengamati nilai Rw minyak sawit (CPO) akibat pengaruh suhu penyimpanan. Nilai Rw diperoleh dari pemodelan kurva I(U) sensor suhu PTC  EPCOS  tipe  B59050D1100  yang  diukur  dalam  minyak  CPO  dengan  suhu  variasi  mulai  20  C sampai  80  C.  Jangkauan  model  ditentukan    mempergunakan  kurva  isotermal,  yang  memberikan  hasil nilai  Rw  maksimum  sebesar  110.2K/W  dan  dapat  dimodelkan  dengan  persamaan  polynomial. Berdasarkan  hasil  pengukuran  Rw  di  udara  sebelumnya  maka  terdapat  perbedaan  sebesar  62.6% sehingga nilai  tahanan  termal  di  udara dan di  dalam CPO  dapat dipakai sebagai penentu  posisi switch pompa pengisi sensor level secara aman.
Kata-kata kunci : level sensor, PTC, tahanan termal, minyak CPO, isotermal .

## Abstract
PTC level sensor for overfill protection works based on the thermal resistance (Rw). The sensor cannot identify  high-temperature  fluid  in  the  container  and  determine  the  pump  switching  status  “ON”  and “OFF”. This is due to the influence of the medium temperature on the Rw. Analysis is performed by observing the Rw value of crude palm oil (CPO) as a result of the storage temperature.  The Rw value was  obtained  from  the  modeling  of  I  (U)  sensor  curve  of  EPCOS  B59050D1100  with  temperature variations ranging from 20°C to 80°C. The modeled area is then determined using the isothermal curve and is resulted Rw value of 110.2K/W. The ambient temperature influence on Rw can be modeled after polynomial  equation.  Compare  to  the  previous  air  measurement,  the  thermal  resistance  in  CPO  has 62.6% vary than in the air. This value can be used to determine the position of the level sensor switch safely.
Keywords : level sensors, PTC, thermal resistance, CPO, isothermal

## PENDAHULUAN
Data statistik menunjukkan hampir 70% perkebunan kelapa sawit yang ada di Indonesia terletak di  pulau  Sumatera.  Hal  ini  mengakibatkan  banyaknya  pabrik  kelapa  sawit  beroperasi  di  wilayah tersebut. Minyak kelapa sawit ( Crude Palm Oil , CPO) yang baru diolah memiliki suhu yang tinggi dan disimpan pada kontainer serta tanki-tanki raksasa sebelum dikapalkan. Sistem deteksi CPO pada tanki sangat dibutuhkan untuk menentukan tanki telah penuh dan guna mencegah terjadinya kerugian
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
akibat  terjadinya  luapan  ( overfill )  CPO  pada  proses  pengisian,  yang  menimbulkan  pencemaran lingkungan. Sebuah sensor ketinggian ( level measurement ) berfungsi mengatur pengisian bahan atau material melalui pompa secara otomatis ke dalam tangki penampungan, dimana material yang diukur dapat berupa gas, cairan maupun padatan.
Metode penentuan ketinggian suatu bahan dalam tangki terbagi atas kontinyu dan non kontinyu. Pada  penelitian  [1]  telah  dilakukan  sistem  pengukuran  kontinyu level suatu  cairan  dalam  tangki berdasarkan kontrol jarak jauh menggunakan sensor kapasitif. Dua buah elektroda dipasang di dalam tangki sehingga level cairan dapat dideteksi berdasarkan nilai kapasitansi dari bahan diantara kedua elektroda.  Teknik  seperti  ini  sangat  mahal  dan  memiliki  respon  yang  rendah  [2].  Sementara  [3] menyelidiki level sensor jangkauan lebar mempergunakan interferometer Fabry–Perot berbasis serat optik yang memungkinkan pengukuran sensitivitas tinggi, Bobo [4] mempergunakan kisi serat optic Bragg dengan  variasi  cairan  dan  tahan  perubahan  suhu.  Pengukuran  ini  memberikan  hasil  yang sangat teliti untuk pengukuran ketinggian fluida secara kontinyu namun memiliki harga yang mahal. Penelitian  yang  disampaikan  oleh  [5]  telah  mendesain  sensor  yang  bekerja  mempergunakan  cincin laser dengan mode tunggal dalam menentukan ketinggian fluida.
Metode  deteksi  lainnya  adalah  non  kontinyu  seperti  teknik  pengukuran  berdasarkan  identifikasi tahanan  termal  (R W )  medium  di  dalam  kontainer  [6].  Elsa  [7]  telah  memodelkan  sensor  suhu termistor Positive Temperature Coeficient (PTC) yang sangat sensitif terhadap perubahan suhu untuk menentukan  parameter  sensor  dan  nilai  tahanan  termal  Rw.  Nilai  Rw  di  udara  dan  cairan  pengisi sangat  berbeda  sehingga  dapat  dipergunakan  sebagai  nilai  penentu  status  sensor  di  udara  atau terendam di dalam fluida.  Metode ini memiliki kelemahan yaitu sensor mengalami kesulitan untuk mengidentifikasi medium dengan suhu tinggi. Hal ini disebabkan karena kurva karakteristik arus dan tegangan  sensor,  I(U)  saling  tumpang  tindih  ( overlapping )  di  udara  dan  di  cairan  bersuhu  tinggi, sehingga menyebabkan kesalahan deteksi dalam menentukan status sensor.

## GAMBAR 1. Sensor suhu PTC yang diproduksi EPCOS
Gambar  1  memperlihatkan  sensor  suhu  termistor  PTC  dari  Fa  EPCOS  yang  mendeteksi perubahan besaran suhu menjadi besaran listrik.  Sensor ini selain memiliki tahanan yang non linier juga memiliki kekurangan yaitu sifatnya yang spesifik.
Pada  paper  ini  dibahas  tentang  pengaruh  suhu  medium  pengisi  dari  minyak  CPO  terhadap perubahan  nilai  tahanan  termal,  Rw  mempergunakan  teknik  pemodelan  kurva  I(U)  sensor,  dimana suhu lingkungan dimaskkan ke dalam algoritma model. Berdasarkan hasil ini akan mudah ditentukan nilai tahanan Rw dan variasinya yang berubah akibat suhu lingkungan.

## METODE PENELITIAN

## Minyak Kelapa Sawit dan Karakteristiknya
Pengolahan minyak kelapa sawit menghasilkan minyak nabati berupa minyak sawit mentah atau sering  disebut crude  palm  oil (CPO)  yang  berwarna  kuning,  yang  diperoleh  dari  hasil  ekstraksi daging buah ( Mesocarp ) pada buah kelapa sawit [8].  Minyak kelapa sawit bersifat semi solid, hal ini dikarenakan minyak tersebut memiliki titik leleh yang cukup tinggi yaitu 25°C sampai dengan 55°C. Suhu  25°C  merupakan  suhu  sesuai  standar  metode  pengukuran  yang  juga  menggambarkan  kondisi
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
suhu  kamar,  sedangkan  suhu  55°C  merupakan  suhu  proses  pengisian  tangki  dan  pengaliran  CPO dalam pipa [9]. Minyak CPO yang diuji memiliki suhu sampai dengan 80°C.

## Sensor Deteksi Ketinggian Fluida Berdasarkan Prinsip Disipasi Panas
Prinsip deteksi ini mempergunakan perubahan konduktansi panas suatu sensor  dimana arus yang mengalir akan  memanaskan  elemen  detektor  ( self  heating) sehingga  suhunya  berada  di  atas  suhu  lingkungan  [10]. Hubungan  antara  sensor  dan  lingkungan  yang  mengelilinginya  akan  mempengaruhi  nilai  konduktansi  termal [11].      Hubungan  antara  tahanan  termal  Rw  dari  sensor  di  dalam  zat  ukur  yang  bergantung  pada  nilai konduktivitas panas, koefisien perpindahan panas α w dan luas permukaan A dari sensor dapat dijelaskan pada persamaan 1 berikut:
A 1 R W W    (1)
GAMBAR 2. Proses penjalaran suhu dari sensor di dalam zat yang diukur
Sensor  akan  mengalami  pemanasan  sendiri  dimana  suhunya  (T S )  berada  lebih  tinggi  dari  suhu lingkungan  (T M )  dan  akan  melepaskan  panas  tersebut  ke  lingkungan.  Pada  akhirnya  akan  terdapat suatu  kondisi  dimana  panas  yang  diberikan  sensor  akan  sama  dengan  panas  yang  diterima lingkungan. Implikasinya adalah suhu dari sensor tidak naik lagi dan terjadi kondisi kesetimbangan termal.  Pada  aplikasi  praktis,  perumusan  kurva  karakteristik  sensor  PTC  dapat  dijelaskan  melalui persamaan 2 berikut [12]:
0 T T T B 0 T R e R ) T ( R S C S          (2)
Nilai  R T0 merupakan  tahanan  sensor  setelah  kenaikan  suhu  (Ω),  R 0 merupakan  tahanan  tanpa beban (Ω), T C -suhu Curie (K), T S suhu sensor (K) dan B merupakan nilai koefisien suhu pada sensor. Pendekatan  secara  fisika  dilakukan  untuk  menganalisa  tahanan  termal  pada  sensor  PTC.  Daya listrik sumber yang diberikan kepada sensor menghasilkan efek pemanasan pada sensor ( self-heating) sebanding  dengan  tegangan  yang  mengalir  pada  rangkaian  dan  tahanan  sensor.  Pada  kondisi kesetimbangan termal, besarnya panas yang didisipasikan sensor sebanding dengan daya termal yang diterima oleh lingkungan (P th ). Nilai tahanan termal R W diperoleh seperti pada persamaaan 3 sebagai berikut:
  2 0 0 U R e R T T R S C S T T T B T M S W                    (3)
Prinsip perhitungan tahanan termal R w pada persamaan 3 dipergunakan pada penelitian ini sebagai dasar  desain  sistem  sensor  PTC  yang  dimanfaatkan  untuk  penentuan  ketinggian  permukaan  CPO. Nilai  suhu  lingkungan  T M diukur  dengan  sensor  terpisah  mempergunakan  sensor  suhu  PT100  dan
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
data  pengukuran  dimasukkan  ke  dalam  algoritma  penentuan  status  sehingga  pengaruh  suhu lingkungan terhadap sensor utama PTC dapat dieliminer.
Parameter-parameter pada persamaan 3 yaitu R T0 , R 0 , T C , B dan T S diperoleh melalui pemodelan kurva  I(U)  mempergunakan  metode  penyelesaian Jacobi  Matrik .  Metode  penyelesaian  ini mempergunakan  fungsi  determinan  pada  matriks,  yaitu  dalam  menyelesaikan  nilai-nilai  parameter dari  persamaan 3  dimana  fungsi determinan harus tidak sama dengan nol seperti pada persamaan 4 berikut:
0 x g ... x g ... ... ... x g ... x g ) x ,..., x , x ( FD n n 1 n n 1 1 1 n 1 i           (4)
dengan fungsi sensor umum:
j j i j y ) x ; x ( f g   (5)
pada  titik-titik  pengukuran  (x j ;  y j )  dengan  parameter  x i .  Pemodelan  dilakukan  dengan mengestimasi parameter pada persamaan 3 sebagai parameter awal dan algoritma akan  menentukan secara  konvergen  nilai-nilai  yang  bersesuaian  sehingga  data  dan  kurva  memiliki  residu  mendekati nol. Berdasarkan prosedur ekstraksi parameter ini maka parameter sensor R T0 , R 0 , B, T C dan tahanan termal R W diperoleh. Penulisan syntax MathCad berikut menjelaskan permodelan kurva I(U) sensor suhu termistor PTC seperti pada persamaan 6.
Given: guess values for the unknown variables R T0 , B, T C , R 0 root(f(var1, var2, ...),var1)
                                   t ), T t ( R 1 R e R V root T M W 0 t T t B 0 T 2 T S C (6)
Fungsi root(f(var1,var2,  …),var1) memberikan  nilai var1 yang  membuat  fungsi f sama  dengan nol. Hasil ini digunakan untuk prosedur ekstraksi parameter  sebagai pada persamaan 7 berikut.
                       i 2 0 t T t B 0 T 2 T Data C W 0 0 T R e R V I ) T , R , B , R , R ( SSE C Minner(R T0 ,R 0 ,B,R W ,T C ) = var 1 ,var 2 ,.. (7)
Pengukuran nilai tahanan termal dilakukan pada kondisi self heating untuk menghasilkan kurva I(U). Blok diagram karakterisasi ini diberikan pada Gambar 3.  Kondisi self heating diperoleh dengan memvariasikan tegangan sumber U S sehingga diperoleh efek pemanasan sehingga  suhu sensor lebih tinggi  dari  pada  suhu  lingkungan  (T S >T M ).  Hal  ini  menyebabkan  terjadi  perpindahan  panas  secara konduksi  dan  konveksi,  yang  dimulai  dari  inti  sensor  ke  medium  sekelilingnya.  Perpindahan  ini tergantung pada jenis dan suhu medium dan berimplikasi pada bentuk kurva I(U) nya.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## GAMBAR 3 .  Blok diagram karakterisasi sensor PTC untuk penentuan nilai tahanan termal medium
Pada  penelitian  ini,  rangkaian  karakterisasi  telah  terintegrasi  dengan  mikrokontroler  sehingga tegangan  analog  yang  diberikan  pada  sensor  dapat  secara  digital  diprogram    dan  diubah mempergunakan  konverter  digital  ke  analog  (DAC).  Sensor  PTC  dari  Fa.  EPCOS  tipe B59050D1100 yang terendam dalam sampel CPO kemudian diuji. Efek self heating dicapai dengan memberikan  sensor  tegangan  terprogram  mulai  dari  0V  sampai  dengan  30V,  setiap  kenaikan tegangan,  respon  sensor  diukur  dalam  bentuk  kurva  I(U).  Pengamatan  variasi  suhu  CPO  dilakukan dengan menempatkan sampel CPO  dalam Oven Heraus tipe T6060 agar suhu sampel tetap konstan sampai dengan suhu sekitar 80°C. Kurva I(U) dengan variasi suhu CPO kemudian dimodelkan untuk menentukan nilai tahanan termalnya.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  4  berikut  memperlihatkan  kurva  I(U)  dari  sensor  PTC  yang  berada  dalam  minyak  CPO dengan suhu bervariasi antara 27°C sampai suhu 78°C. Tiap-tiap suhu memiliki kurva I(U) tersendiri namun  mempunyai  kecenderungan  yang  sama.  Pada  awal  kurva  sampai  dengan  tegangan  5V, kenaikan arus tegangan kurva bersifat linier ( ohmic area ), kemudian arus naik mencapai maksimum pada  titik  Curie,  yang  diikuti  penurunan  konsumsi  arus  secara  eksponensial.  Kondisi  suhu  minyak CPO  yang  tinggi  akan  menurunkan  konsumsi  arus  dimana  sensor  tidak  memerlukan  banyak  daya untuk mencapai kesetimbangan termis karena lingkungan sensor itu sendiri telah panas.
GAMBAR 4. Kurva I(U) sensor dengan pemodelan
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Data  I(U)  kurva  ini  dimodelkan  pada  daerah  tertentu  seperti  pada  gambar  4,  setelah  titik  Curie dimana  jangkauan  model  ditentukan  mempergunakan  konsep  garis  isotermal  [7].  Nilai  parameter model yang dihasilkan dapat dilihat seperti pada tabel 1 berikut ini.
TABEL 1. Parameter hasil pemodelan sensor suhu PTC No Parameter Simbol 1 Tahanan sensor pada T 0 R T0 (Ω) 62.0 2 Tahanan tanpa beban R 0 (Ω) 0.01 3 Koefisien panas B 190.3 4 Suhu Curie T C (K) 388 5 Suhu medium T M (  C) 20 - 80 6 Jenis sensor EPCOS  tipe B59050D1100 7 Medium Minyak CPO
Parameter  sensor  R T0 ,  R 0 ,  B,  T C merupakan  karakteristik  sensor  PTC  dan  berubah  jika  sensor mengalami  degradasi  atau  kerusakan.  Monitoring  nilai  parameter  ini  akan  menjamin  kualitas pengukuran  sensor  sepanang  masa  operasinya.  Sementara  nilai  tahanan  termal  Rw  merupakan  nilai yang diperoleh dari faktor disipasi panas sensor ke lingkungannya dan merupakan nilai transfer panas dalam bentuk (i) perpindahan konduktansi dari bahan sensor ke medium melewati rumahan ( casing ) berbahan  logam  dan  (ii)  perpindahan  konveksi  dari  permukaan  sensor  ke  medium  disekelilingnya. Kurva pada gambar 5 berikut memperlihatkan perubahan nilai tahanan termal dari sensor PTC yang berada dalam  pada minyak CPO pada suhu yang bervariasi.
GAMBAR 5. Variasi nilai tahanan termal sensor pada sampel CPO dengan suhu tinggi
Pada gambar 5  terlihat bahwa nilai tahanan termal  berubah terhadap suhu  medium CPO dimana ketika    suhu  medium  meningkat  dari  20  C  menjadi  80  C  maka  nilai  tahanan  termalnya  menurun secara  non  linear  dari  110.2K/W  menjadi  72.1K/W  yang  dapat  dinyatakan  dengan  persamaan polinomial sebagai berikut:
3 -5 2 T 9.810
0.03T - 1.93T
78.46
   W R (8)
Nilai tahanan termal Rw ini merupakan inversi dari nilai konduktivitas termal dari  minyak CPO dan  terlihat  bahwa  minyak  CPO  memiliki  sifat  sebagai  penghantar  panas  yang  baik.  Minyak  CPO yang dipanaskan akan  mengalami degradasi  menjadi material polar dan terjadinya perubahan kimia selama  pemanasan  yang  akan  mengubah  sifat  termal  seperti  koefisien  transfer  panas.  Pemanasan minyak  CPO  juga  akan  menginduksi  suatu  reaksi  bahan    asam  lemak  bebas  dan  menyebabkan terjadinya formasi  substansi baru yang akan  mengubah sifat-sifat  termal dari CPO  [13]. Akibatnya, interaksi  intermolekuler  pada  bahan  CPO  akan  meningkat  yang  pada  gilirannya  menurunkan  nilai viskositas minyak dan secara konsekuen akan meningkatkan nilai transfer panas.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Nilai koefisien termal dan tahanan termal dari minyak nabati adalah parameter penting pada suatu proses di dunia industri dan menjadi standar untuk aplikasi spesifik. Berdasarkan hasil penelitian ini dapat  dirancang  sistim switching  level  sensor mempergunakan  nilai  tahanan  termal  fluida  sebagai faktor penentu ( decision ) untuk pengisian kontainer.

## PENUTUP
Nilai  tahanan  termal  Rw  yang  dipergunakan  untuk  aplikasi  level  sensor  memperlihatkan  variasi sebagai  fungsi  suhu.  Penentuan  tahanan  termal  didapatkan  dari  pemodelan  kurva  I(U)  sensor  suhu PTC  yang  dimodelkan  berdasarkan  batasan    kurva  isotermal.  Variasi  suhu  pada  sensor  dari  20°C sampai  80°C  menghasilkan  nilai  tahanan  termal  sebesar  110.2K/W  dan  turun secara  sebesar  34.5% yang dapat didekati dengan persamaan polinomial. Berdasarkan hasil  pengukuran terdahulu di udara seperti pada [7], terdapat perbedaan sebesar 62.6% sehingga perbedaan nilai tahanan termal di udara dan  di  dalam  CPO  dapat  dipakai  sebagai  penentu  posisi switch pompa  pengisi  sensor level secara aman.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian  ini  dibiayai  oleh  penelitian  Hibah  Unggulan  Universitas  bersumber  dana  BLU  UR tahun 2017.

## REFERENSI
[1] F. Reverter et al ., “Liquid-level measurement system based on a remote grounded capacitive sensor,” Sensor and Actuator A: Physical . vol 138 (1) : pp. 1-8, 2007.
[2] C. Yang et al., “Fiber optical liquid level sensor under cryogenic environment,” Sensor and Actuator A ., vol. 94, pp.69-75, 2001,
[3] W. Wenhua dan L. Fang, “Large-range liquid level sensor based on an optical fibre extrinsic Fabry–Perot  interferometer,” Optics  and  Lasers  in  Engineering ,  vol.  52,  pp.  201–205,  Jan. 2014.
[4] G. Bobo et al., “Reflective liquid level sensor based on modes conversion in thin-core fiber incorporating tilted fiber Bragg grating,” Optics Express , vol. 22, Issue 10, pp. 11834-11839, 2014.
[5] W.  Zixiao et  al .,  ”Liquid  level  sensor  based  on  fiber  ring  laser  with  single-mode-offset coreless-single-mode fiber structure,” Optics & Laser Technology , vol. 84,  pp. 59-63, Okt. 2016.
[6] Lazuardi, Untersuchungen zur Selbstüberwachung von Füllstandssensoren , VDI Reihe 8 Nr. 1026, Duesseldorf, Germany, 2004.
[7] E. Maulina dan U. Lazuardi, “Karakterisasi dan rekonstruksi kurva R(T) sensor suhu Positive Temperature  Coefficient  (PTC)  dari  kurva  I(V)  menggunakan  modul  I-V  Characterizer berbasis  Arduino,” J.  Komunikasi  Fisika  Indonesia  (KFI), Jurusan  Fisika  FMIPA Universitas Riau Pekanbaru, ISSN.1412-2960, Oktober. 2016.
[8] S.  Tuminah,  “Efek  perbedaan  sumber  dan  struktur  kimia  asam  lemak  jenuh  terhadap kesehatan,” J.  Pusat  Penelitian  dan  Pengembangan  Biomedis  dan  Farmasi  Jakarta ,  vol 38, pp. 43-51, 2010.
[9] N.  Wulandari et  al .,  “Physical  properties  of  crude  palm  oil  and  their  correlations  to  the quality attributes,” J. Teknol. dan Industri Pangan , vol. 22 (2), pp. 177-183, 2011.
[10] M.  Horn  dan  U.  Lazuardi,  “Self-controlled  PTC  sensor  for  reliable  overfill  protection  of liquids”, Proc. IEEE IMTC Conference , Anchorage Alaska USA, 2002.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[11] K.  Kolahi, “Ein  thermische  Strömungswächter  mit  modellgestützter  Selbstdiagnose,” Technisches Messen 68 , Oldenbourg Verlag, pp. 220-225, 2001.
[12] E. Schruefer, Elektrische Messtechnik , Leipzig : Hanser Verlag, 11. Auflage, 2014.
[13] O. Fasina,  dan Z.  Colley,  “Viscosity  and  specific  heat  of  vegetable  oils  as  a  function of  temperature”, International Journal of Food Properties , 11(4): pp. 738–746, 2008.