## Pengukuran Kandungan Kontaminasi Air pada Minyak Pelumas dengan Cahaya Infra Merah
E. Juliastuti, P. F. K. Kusuma & D. Kurniadi KK Instrumentasi dan Kontrol – Fakultas Teknologi Industri- Institut Teknologi Bandung yuliast@tf.itb.ac.id

## Abstrak
intensitas sinar yang diteruskan oleh fluida. Laser infra merah dekat dengan panjang gelombang 850 nm digunakan sebagai sumber sinar, dan untuk sampel uji digunakan 3 jenis minyak pelumas (A, B, C) dengan 3 nilai densitas yang berbeda. Pengukuran dilakukan pada rentang kontaminasi air 0,1% - 1,5%  untuk  masing-masing  minyak  pelumas.  Dari  hukum  Beer-Lambert  diketahui  bahwa  densitas suatu senyawa mempengaruhi besarnya intensitas sinar yang diserap. Semakin besar nilai densitas suatu  senyawa  maka  akan  semakin  besar  intensitas  sinar  yang  dapat  diserap  oleh  suatu  senyawa. Nilai  intensitas  sinar  infra  merah  dekat  yang  diperoleh  dari  hasil  pengukuran  sampel  uji  akan digunakan  untuk  menghitung  nilai  koefisien  absorbsi  sinar  oleh  minyak  pelumas.  Intepretasi  data dilakukan  dengan  menggunakan  metode  kuadrat  terkecil  untuk  memperoleh  hubungan  perubahan rasio kontaminasi air dengan perubahan koefisien absorbsi infra merah dekat oleh minyak pelumas. Untuk  minyak  pelumas  A  diperoleh  hasil  pengamatan  dengan  kesalahan  minimum  0,99%  dan kesalahan maksimum 10,62%, untuk rentang pengukuran 0,1% - 1,5% kontaminasi air. Untuk minyak pelumas  B  diperoleh  hasil  dengan  kesalahan  minimum  1,52%  dan  kesalahan  maksimum  5,12%, untuk  rentang  pengukuran  0,1%  -  1,5%  kontaminasi  air.  Untuk  minyak  pelumas  C  diperoleh  hasil dengan  kesalahan  minimum  1,64%  dan  kesalahan  maksimum  8,14%,  untuk  rentang  pengukuran 0,1% - 1,5% kontaminasi air.
Keywords: infra   merah,   minyak   pelumas,   kontaminasi   air,   hukum   Beer-­‐Lambert,   koefisien   absorbsi

## 1 Pendahuluan
Minyak  pelumas  merupakan  kelompok  senyawa petroleum  hydrocarbon .  Kelompok hidrokarbon yang terkandung dalam minyak pelumas adalah kelompok alkana, sikloalkana, dan hidrokarbon aromatik. Minyak pelumas terbentuk dari campuran base oil dan zat aditif. Zat  aditif  dalam  minyak  pelumas  adalah  zat  yang  berfungsi  untuk  meningkatkan  kualitas atau ketahanan kerja dari minyak pelumas [9][10].
Adanya kandungan kontaminasi air di dalam minyak pelumas dapat memberikan dampak buruk  bagi  minyak  pelumas  yang  dapat  berakibat  kerusakan  pada  komponen-komponen mesin.  Kandungan  kontaminasi  air  dapat  menyebabkan  terjadinya  penurunan  nilai viskositas, pembentukan asam dan endapan, serta penipisan lapisan minyak pelumas saat proses  pelumasan  berlangsung.  Pada  komponen-komponen  mesin,  kandungan kontaminasi air di dalam minyak pelumas juga dapat menyebabkan terjadinya korosi pada permukaan komponen mesin, kavitasi, dan filter plugging [1] .
Oleh  karena  itu  diperlukan  sebuah  metode  untuk  mengetahui  jumlah  kandungan kontaminasi air di dalam minyak pelumas tersebut. Pengukuran kandungan kontaminasi air tersebut  dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  prinsip  perubahan  nilai  intensitas  sinar infra  merah.  Perubahan  nilai  intensitas  sinar  infra  merah  dipengaruhi  oleh  perubahan
struktur  dari  medium  yang  dilewatinya.  Dalam  hal  ini,  medium  yang  dimaksud  terdiri  atas minyak pelumas dan adanya kandungan kontaminasi air.
Pada studi ini telah dilakukan uji coba pengukuran minyak pelumas dengan kontaminasi air 0,1%  hingga  1,5%.  Secara  prinsip  melalui  pengukuran  intensitas  sinar  infra  merah, kandungan kontaminasi air dapat diketahui.

## 2 Sinar Infra Merah
Sinar  infra  merah  merupakan  gelombang  elektromagnetik  yang  memiliki  rentang  nilai panjang  gelombang  0,78 µ m  -  1000 µ m.  Radiasi  infra  merah  dapat  berasal  dari  benda- benda  yang  memiliki  temperatur  mutlak  di  atas  0  Kelvin  [2].  Berdasarkan  panjang gelombangnya, sinar infra merah dikelompokan ke dalam tiga jenis, yaitu :
• Infra merah dekat, memiliki panjang gelombang 0,78 µ m – 1,4 µ m. • Infra merah menengah, memiliki panjang gelombang 1,4 µ m - 3 µ m.
• Infra merah jauh, memiliki panjang gelombang 3 µ m - 1000 µ m.
Intensitas  sinar  infra  merah  yang  telah  melewati  suatu  senyawa  kimia  dapat  mengalami perubahan  yang  disebabkan  oleh  terjadinya  penyerapan  oleh  senyawa.  Sinar  infra  merah yang  melewati  suatu  senyawa  menyebabkan  vibrasi  diantara  molekul-molekul  senyawa tersebut.  Vibrasi  antar  molekul  atom  mengakibatkan  perubahan  jarak  ikatan  dan perubahan sudut ikatan, dimana kedua perubahan ini akan mengarah kepada perubahan momen  dipol  suatu  senyawa.  Jika  frekuensi  osilasi  atom-atom  dalam  senyawa  sama dengan frekuensi foton maka akan terjadi penyerapan atau absorbsi intensitas sinar infra merah.  Semakin  besar  perubahan  momen  dipol  yang  terjadi  pada  suatu  senyawa  maka akan semakin besar intensitas sinar infra merah yang terserap [3] [4].
Salah  satu  parameter  optik  yang  dapat  diamati  dalam  pengukuran  dengan  menggunakan prinsip perubahan nilai intensitas infra merah adalah koefisien absorbsi medium. Koefisien absorbsi  infra  merah  pada  suatu  medium  adalah  suatu  koefisien  yang  menunjukan  nilai probabilitas  banyaknya  foton  yang  telah  terserap  per-panjang  medium  yang  dilewati  oleh sinar infra merah [5].

## Gambar 1 Proses absorbsi intensitas sinar infra merah
Gambar 1 mengilustrasikan proses absorbsi intensitas sinar secara umum dan khususnya sinar  infra  merah  ketika  melewati  suatu  medium.  Persamaan  (1)  menunjukan  hubungan antara intensitas sinar ( I ) dan koefisien absorbsi medium ( α ) .
A x I I x o = = α ln (1)
Jika  medium  yang  dilewati  adalah  suatu  senyawa  kimia,  maka  persamaan  (1)  dapat diturunkan  untuk  memperoleh  persamaan  koefisien  absorbsivitas  molar  senyawa. Penurunan persamaan berdasarkan hukum Beer-Lambert (2) : cx A ε = 𝐴 = 𝜀 𝑐 𝑥 (2)
sehingga diperoleh persamaan (3) yang menunjukan hubungan antara  koefisien absorbsi sinar dengan koefisien absorbsivitas molar( ε ) dan molaritas senyawa(c) [6] [7] .
c ε α = 𝛼 = 𝜀 𝑐 (3)
Pengukuran  perubahan  nilai  intensitas  sinar  setelah  melalui  medium  dapat  dilakukan dengan  menggunakan  laser  infra  merah  dekat  dan  detektor  yang  sesuai.  Intensitas  sinar infra merah yang ditangkap oleh detektor, dibaca sebagai suatu nilai tegangan DC [8].

## 3 Eksperimen
Gambar 2 memperlihatkan skema susunan perangkat pengambilan data. Laser infra merah dekat  memperoleh  masukan  tegangan  3  Volt  DC  dari  adaptor  DC.  Sinar  yang  dihasilkan laser kemudian dilewatkan ke gelas kimia yang telah diisi sampel uji. Intensitas sinar infra merah  dekat  yang  telah  melewati  sampel  uji  ditangkap  oleh  detektor.  Osiloskop  digital berfungsi  untuk  merekam  nilai  tegangan  DC  yang  terbaca  oleh  detektor  dan  kemudian ditampilkan di komputer.

## Gambar 2 Susunan peralatan pengambilan data
Tahap  pra  eksperimen  bertujuan  untuk  mengamati  apakah  perubahan  kandungan kontaminasi  air  di  dalam  minyak  pelumas  berpengaruh  terhadap  hasil  pengukuran intensitas  sinar  infra  merah.  Selain  itu  dilakukan  pengujian  sensitivitas  2  infra  merah dengan  nilai  panjang  gelombang  yang  berbeda  laser  dan  penentuan  waktu  pengukuran sampel  uji  minyak  pelumas.  Sampel  uji  minyak  pelumas  dibuat  dengan  mencampurkan minyak pelumas dengan aquades dan emulsifier, komposisinya dapat dilihat pada Tabel 1.
Penggunaan  emulsifier  bertujuan  agar  campuran  antara  minyak  pelumas  dan  aquades menjadi lebih homogen.
Pengambilan  data  dalam  studi  ini  dilakukan  sebanyak  tiga  kali  untuk  masing-masing minyak pelumas. Pengulangan ini dilakukan untuk meningkatkan tingkat kepercayaan hasil pengukuran intensitas sinar infra merah yang diperoleh. Pada penelitian ini juga dilakukan pengambilan  data  minyak  pelumas  untuk  memverifikasi  metode  pengukuran  yang dilakukan dan hasil pengukuran yang diperoleh. Komposisi sampel uji dan sampel verifikasi untuk setiap minyak pelumas dapat dilihat pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1 Komposisi kandungan sampel uji untuk setiap minyak pelumas (A, B, C) No.
Vol. Minyak Pelumas Vol. Emulsifier Vol. Aquades %Kontaminasi 1 100 ml 2 ml 0,1 ml 0,1% 2 100 ml 2 ml 0,2 ml 0,2% 3 100 ml 2 ml 0,3 ml 0,3% 4 100 ml 2 ml 0,4 ml 0,4% 5 100 ml 2 ml 0,5 ml 0,5% 6 100 ml 2 ml 0,6 ml 0,6% 7 100 ml 2 ml 0,7 ml 0,7% 8 100 ml 2 ml 0,8 ml 0,8% 9 100 ml 2 ml 0,9 ml 0,9% 10 100 ml 2 ml 1,0 ml 1,0% 11 100 ml 2 ml 1,1 ml 1,1% 12 100 ml 2 ml 1,2 ml 1,2% 13 100 ml 2 ml 1,3 ml 1,3% 14 100 ml 2 ml 1,4 ml 1,4% 15 100 ml 2 ml 1,5 ml 1,5% Tabel 2 Komposisi kandungan sampel uji verifikasi untuk setiap minyak pelumas (A, B, C) No. Vol. Minyak Pelumas Vol. Emulsifier Vol. Aquades %Kontaminasi 1 100 ml 2 ml 0,25 ml 0,25% 2 100 ml 2 ml 0,75 ml 0,75% 3 100 ml 2 ml 1,25 ml 1,25%

## 4 Hasil dan Analisis
Dari  tahap  pra  eksperimen  yang  telah  dilakukan,  diperoleh  bahwa  laser  infra  merah  yang memiliki  sensitivitas  lebih  baik  terhadap  perubahan  kandungan  kontaminasi  air  di  dalam minyak  pelumas  dan  respon  detektor  infra  merah  adalah  laser  infra  merah  dekat  dengan panjang gelombang 850 nm.
Waktu  yang  dibutuhkan  oleh  campuran  sampel  uji  minyak  pelumas  untuk  mencapai keadaan stabil adalah selama 3 menit setelah proses pengadukan dihentikan. Penentuan
waktu pengukuran sampel uji ini penting agar saat pengukuran dilakukan, hasil pengukuran intensitas sinar infra merah berada pada satu nilai yang stabil dimana campuran sampel uji telah tercampur secara merata dan homogen.
Dilakukan regresi untuk melihat persebaran data antara perubahan koefisien absorbsi infra merah  minyak  pelumas  terhadap  perubahan  %rasio  kontaminasi  air  di  dalam  minyak pelumas.  Dari  regresi  yang  telah  dilakukan  maka  digunakan  pendekatan  logaritma  untuk memperoleh  persamaan  hubungan  antara  perubahan  %rasio  kontaminasi  air  terhadap perubahan koefisien absorbsi infra merah minyak pelumas.
Gambar  3,  Gambar  4,  dan  Gambar  5  memperlihatkan  persebaran  data  perubahan koefisien  absorbsi  infra  merah  dekat  terhadap  perubahan  %rasio  kontaminasi  air.  Untuk minyak  pelumas  A,  perubahan  intensitas  sinar  terjadi  pada  kandungan  kontaminasi  air 0,1%,  pada  minyak  pelumas  B,  perubahan  intensitas  sinar  terjadi  pada  kandungan kontaminasi air 0,4%, dan pada minyak pelumas C, perubahan intensitas sinar terjadi pada kandungan kontaminasi air 0,5%.
Perbedaan penyerapan intensitas sinar ini berhubungan dengan perbedaan densitas ketiga minyak  pelumas  yang  digunakan.  Dari  persamaan  (3)  hukum  Beer-Lambert  dapat diturunkan persamaan yang menunjukan hubungan antara densitas suatu senyawa dengan koefisien absorbsi infra merah senyawa.
Hasil dari penurunan persamaan (3) adalah persamaan (4), yaitu
r M ρ ε α = (4)
dimana ρ adalah densitas senyawa, dari persamaan 4.1 dapat dilihat bahwa semakin besar densitas suatu senyawa maka akan semakin besar koefisien absorbi infra merah senyawa. Nilai  koefisien  absorbsi  infra  merah  dekat  yang  besar  menunjukan  bahwa  banyak  foton yang terserap saat sinar infra merah dekat melewati senyawa, sehingga terjadi penurunan intensitas sinar .
Dari  ketiga  minyak  pelumas  yang  digunakan,  minyak  pelumas  A  memiliki  nilai  densitas tertinggi  setelah  minyak  pelumas  B  dan  minyak  pelumas  C.  Hal  ini  menunjukan  bahwa persamaan  4.1  dapat  digunakan  sebagai  dasar  analisis  terhadap  hasil  pengukuran intensitas sinar infra merah dekat yang diperoleh pada setiap minyak pelumas A, B, dan C.

## Gambar 3 Grafik hasil pengukuran minyak pelumas A
Gambar 4 Grafik hasil pengukuran minyak pelumas B

## Gambar 5 Grafik hasil pengukuran minyak pelumas C
Dari pengukuran dan verifikasi data yang telah dilakukan terdapat variasi persebaran data hasil pengukuran serta nilai-nilai kesalahan hasil pengukuran.
Keseragaman  atau  homogenitas  sampel  uji  minyak  pelumas  merupakan  sumber kesalahan  utama  yang  mempengaruhi  data  hasil  pengukuran  serta  verifikasi  yang diperoleh. Seperti yang telah disebutkan bahwa proses penyerapan atau absorbsi intensitas sinar  infra  merah  baru  akan  terjadi  ketika  vibrasi  dari  molekul-molekul  senyawa  yang dilewati  oleh  sinar  infra  merah  memiliki  frekuensi  osilasi  yang  sama  dengan  foton  sinar infra  merah.  Setelah  proses  pengadukan  sampel  uji  dilakukan  dengan  menggunakan magnetic  stirrer ,  molekul-molekul  senyawa  yang  terdapat  di  dalam  sampel  uji  minyak pelumas akan mengalami vibrasi yang berbeda dari sebelumnya. Proses pengadukan juga dapat  mempengaruhi  perubahan  letak  molekul-molekul  yang  bervibrasi  yang  memiliki frekuensi osilasi yang sama dengan foton sinar infra merah. Posisi molekul- molekul yang memiliki  frekuensi  osilasi  sama  tersebut  dapat  berpindah  ke  bagian  atas,  tengah,  atau bawah  dari  sampel  uji  minyak  pelumas.  Proses  pengadukan  juga  dapat  mempengaruhi jumlah molekul-molekul yang memiliki frekuensi osilasi yang sama dengan foton sinar infra merah.  Perbedaan  densitas  minyak  pelumas  juga  mempengaruhi  perbedaan  penyerapan intensitas sinar infra merah. Vibrasi yang terjadi pada molekul-molekul suatu senyawa akan meningkat  seiring  dengan  peningkatan  densitas  senyawa  tersebut.  Perbedaan  vibrasi molekul-molekul  ini  akan  mengakibatkan  perbedaan  penyerapan  intensitas  sinar  infra merah pada ketiga minyak pelumas.
Pada  minyak  pelumas  B  dan  C,  perubahan  intensitas  sinar  infra  merah  baru  terjadi  pada kandungan  kontaminasi  air  0,4%  dan  0,5%.  Hal  ini  disebabkan  oleh  nilai  densitas  kedua minyak pelumas ini lebih rendah dari minyak pelumas A. Selain pengaruh densitas kedua minyak  pelumas,  penyerapan  intensitas  sinar  infra  merah  pada  minyak  pelumas  B  dan  C juga dapat dipengaruhi oleh karakteristik minyak pelumas dan zat aditif yang terkandung di dalam  minyak  pelumas.  Perbedaan  ikatan  serta  kandungan  senyawa  dalam  minyak pelumas  dapat  mempengaruhi  penyerapan  sinar  infra  merah  dekat  karena  sinar  memiliki sensitivitas  penyerapan  terntentu  pada  senyawa-senyawa  yang  berbeda.  Untuk  senyawa pada  golongan  alkana,  sikloalkana,  serta  hidrokarbon  aromatik  yang  terdapat  di  dalam minyak pelumas umumnya berada pada daerah penyerapan sinar infra merah  dengan nilai bilangan  gelombang  3100  –  2100  /  cm.  Sementara  nilai  bilangan  gelombang  dari  sinar infra merah yang digunakan pada penelitian ini adalah mendekati 11764 / cm. Jika daerah penyerapan  sinar  infra  merah  yang  dimiliki  oleh  senyawa-senyawa  di  dalam  minyak pelumas  mendekati  sinar  infra  merah  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  maka  proses penyerapan intensitas sinar infra merah akan semakin mudah terjadi.

## 5 Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  pengukuran  ketiga  minyak  pelumas  yang  digunakan  pada  studi  ini diperoleh  bahwa  metode  perubahan  intensitas  sinar  infra  merah  dekat  dapat  digunakan untuk melakukan pengukuran kandungan kontaminasi air di dalam ketiga minyak pelumas tersebut. Dengan menggunakan sinar infra merah pada panjang gelombang 850 nm, untuk minyak  pelumas  A  pengukuran  dapat  dilakukan  pada  rentang  kandungan  kontaminasi  air 0,1%  -  1,5%,  dengan  kesalahan  minimum  sebesar  0,99%  dan  kesalahan  makasimum sebesar  10,62%.  Untuk  minyak  pelumas  B  pengukuran  dapat  dilakukan  pada  rentang kandungan kontaminasi air 0,4% - ,15%, dengan kesalahan minimum sebesar 1,52% dan kesalahan  maksimum  sebesar  5,12%.  Untuk  minyak  pelumas  C  pengukuran  dapat dilakukan  pada  rentang  kandungan  kontaminasi  air  0,5%  -  1,5%,  dengan  kesalahan minimum  sebesar  1,64%  dan  kesalahan  maksimum  sebesar  8,14%.  Perbedaan  rentang
pengukuran  kandungan  kontaminasi  air  pada  setiap  minyak  pelumas  dipengaruhi  oleh perbedaan  kandungan  senyawa  dalam  minyak  pelumas  dan  perbedaan  nilai  densitas minyak pelumas.

## 6 Referensi
[1] A.  Abdullah,  S.  Dye,  and  J.  Poley,  Water  Contamination  in  Oil.  Parker  Kittywake Company Publications, 2012.
[2] A. Marjono, A. Yano, S.  Okawa, F.  Gao, and Y. Yamada, Total light approach of time- domain fluorescence diffuse optical tomography,  Optics Express  16-19, 2008
[3] M.  A.  Bramson,  “Infrared  Radiation:  A  Handbook  for  Applications”,  Springer  Science 1968.
[4] J. C. Fitch and S. Jaggernauth, “Moisture – The second most destructive lubricant contaminant and its effects on bearing life”, in Proceedings of the Predictive Maintenance Technology National Conference, November 1994
[5] Steven  J.  Miller  ,  “The  Method  of  Least  Squares”,  Mathematics  Department,  Brown University, 2012
[6] W.  G.  Egan  and  T.  W.  Hilgeman,  Optical  Properties  of  Inhomogeneous  Materials: Applications to Geology, Astronomy, Chemistry and Engineering,  Academic Press Inc.,
1979 .