## Perancangan Sistem Laser Based Automatic Tank Gauging dengan Pelampung Serta Penggunaannya dalam Sistem Kontrol Ketinggian Cairan
Nina Margareth Theresia dan Endang Juliastuti Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha No 10 Bandung
Email : nina.margareth@yahoo.com

## Abstrak
Pada penelitian ini, dibuat suatu perangkat pengukur ketinggian cairan pada tangki secara otomatis dengan menggunakan Laser Distance Meter (LDM) dan pelampung. Perangkat ini dinamakan Laser Automatic Tank Gauging (LATG). Kelebihan LATG yaitu memiliki ketelitian sebesar 1-2mm dan waktu pengukuran yang cepat. Hal tersebut membuat LATG menjadi dapat digunakan untuk pengontrolan ketinggian  cairan  yang  baik  pada  tangki.  Pembuatan  perangkat  LATG  dimulai  dari  menghubungkan LDM dengan LR4 interface board agar serial output dapat terbaca. Kemudian LDM dan LR4 interface board ini  dihubungkan  dengan  mikrokontroller  untuk  mengirimkan  dan  menerima  serial  data. Selanjutnya  data  yang  didapatkan  diolah  pada  perangkat  lunak  Matlab (TM) dan  dibuat  tampilan antarmuka.  Untuk  pembuatan  pelampung  agar  menghasilkan  nilai  pengukuran  paling  baik,  maka dilakukan  pengujian  pada  variasi  warna  pelampung,  kekasaran  permukaan  pelampung  dan intensitas cahaya lingkungan saat pengujian. Didapatkan bahwa pelampung yang menghasilkan nilai pengukuran  terbaik  yaitu  pelampung  dengan  warna  putih  dan  permukaannya  paling  halus,  juga intensitas cahaya lingkungan yang kecil akan mengurangi noise dalam pengukuran.
Kata kunci : automatic tank gauging, laser distance meter, pemantulan cahaya, pelampung, kontrol level.

## Abstract
In this study an automatic device to measure the liquid level in a tank by using Laser Distance Meter (LDM) and a floating  reflector  was  developed. This  device is  called Laser Automatic Tangk Gauging (LTAG). This LTAG has 1-2 mm accuracy and a fast measurement time. Therefore, this LATG can be used in a liquid level control system. The system was implemented by connecting LDM with LR4 serial output interface board. The board was connected to mictrocontroller for data aquisition. This data was processed  and  displayed  through  used  interface  programmed  in  Matlab  software.  In  order  to  get  a floating reflector that produce the most accurate measurement, some experiments were conducted on colors, surface’s condition and ambient lighting condition. It was found that the best measurement is produced by floating reflector that of white color, smooth surface and low ambient lighting.
Keywords : automatic tank gauging, laser distance meters, the reflectance of light, floating reflector, level control.

## 1 Pendahuluan
Pengukuran ketinggian cairan pada tangki di industri sangatlah penting, karena ketelitian dari  alat  pengukuran  dan  waktu  pengukuran  yang  cepat  sangat  dibutuhkan.  Sejauh  ini metode pengukuran ketinggian cairan yang digunakan oleh industri adalah menggunakan diptape dan  ATG  motor  servo.  Metode diptape dioperasikan  secara  manual  sehingga ketelitiannya  rendah  dan  memiliki  kemungkinan human  error yang  tinggi  adapun  ATG motor  servo  dioperasikan  secara  otomatis  namun  pengukurannya  membutuhkan  waktu
yang  lama  dan  memiliki  ketelitian  2-3mm.  Tak  hanya  itu,  ATG  motor  servo  juga membutuhkan perawatan yang rutin agar hasil pengukuran tetap akurat. Oleh karena itu, dibuatlah  suatu  sistem  alat  pengukur  ketinggian  cairan  yang  baru  yaitu  dengan menggunakan Laser  Distance  Meter (LDM)  yang  memiliki  ketelitian  1-2mm  dan  waktu pengukuran yang cepat dengan bantuan pelampung.
Pelampung digunakan  untuk membantu  pengukuran  agar pemantulan  dapat terjadi lebih teratur.  Hal  ini  dibutuhkan  karena  pada  pengujian  pengukuran  ketinggian  cairan  yang dilakukan secara langsung dengan menggunakan LDM tidak menghasilkan nilai ketinggian cairan yang akurat dan presisi. Selain itu pengujian ini juga membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mencapai sejumlah data sampel yang diinginkan karena terjadinya kegagalan pengukuran data. Untuk itu, dilakukan pula pengujian kinerja LDM menggunakan berbagai warna dan kehalusan permukaan pelampung.

## 2 Konsep / Teori Dasar

## 2.1 Laser Distance Meter
Seperti pada Gambar 1, Laser Distance Meter (LDM) terdiri dari tiga komponen utama yaitu transmitter,  receiver dan time  interval  measurement . Transmitter terdiri  dari  laser  dioda yang  mengeluarkan  sinar  laser. Receiver terdiri  dari  amplifier  dan time  discriminator . Seluruh komponen ini terintegrasi dalam kerja LDM menggunakan metode time of flight.
Ketika  LDM  dinyalakan  maka  mikroprosesor  akan  mencatu  laser  dioda  sehingga mengeluarkan sinar yang akan melewati reflektor. Sinar ini akan terbagi menjadi dua yaitu sinar yang dipantulkan dan sinar yang diteruskan. Sinar yang dipantulkan akan masuk ke dalam amplifier dan  waktu  kejadian start akan  dicatat  oleh time  discriminator .  Adapun sinar  yang  diteruskan  akan  melewati  lensa transmitter lalu  menembak  target  kemudian dipantulkan dan diterima oleh lensa penerima yang merupakan lensa cembung. Sinar yang dikumpulkan  kemudian  masuk  ke amplifier dan  waktu  kejadian stop dicatat  di time discriminator . Dengan  ini didapatkan  periode waktu  yang bila dimasukkan  ke  Persamaan (1) akan didapatkan jarak dari LDM ke target [2][5][6][7].
Gambar 1. Prinsip kerja laser distance meter
S = v x (1)
Disini S adalah jarak tempuh sinar laser (m), v adalah kecepatan cahaya (3.10 8 m/s 2 ) dan t adalah durasi penjalaran gelombang cahaya dari transmitter ke receiver (s).

## 2.2 Laser Dioda
Laser  dioda  dibentuk  dari  material  semikonduktor  Alumunium  Gallium  Indisium  Phospide (AlGaInP)  yang  didoping  sehingga  menghasilkan  bagian  bertipe-p  dan  bagian  bertipe-n. Apabila sambungan bagian p dan  n ini mendapatkan tegangan bias maju, maka  elektron bebas  akan  mendapat  energi  untuk  berpindah  dari  bagian-n  ke  bagian-p.  Pada  saat elektron  mengisi hole dari  bagian-p,  maka  ia  melepaskan  sebagian  energinya  dalam bentuk cahaya laser dengan panjang gelombang 635 nm. [5], [6], [7], [8].
Gambar 2. Prinsip kerja laser dioda

## 2.3 Pemantulan Cahaya
Pemantulan cahaya laser merupakan aspek yang menentukan akurasi LATG ini. Jenis-jenis pemantulan yang terlibat adalah pemantulan spekular, pemantulan baur dan pemantulan Fresnel.

## 1. Pemantulan spekular
Pemantulan spekular adalah pemantulan yang terjadi ketika sinar datang mengenai bidang yang permukaannya rata sehingga sinar terpantulkan secara teratur. Pemantulan spekular memiliki sifat sinar pantul mempunyai sudut yang sama dengan sudut ketika sinar datang.
Ilustrasi perbandingan sudut sinar datang dan sinar pantul ditunjukan pada Gambar 3, dan hubungan antara sudut sinar datang i dan sudut sinar pantul r diberikan pada Persamaan 2.
Gambar 3. Pemantulan spekular
sin(i) = sin(r)
(2)
2. Pemantulan baur/ diffuse
Pemantulan baur/ diffuse terjadi ketika sinar datang mengenai bidang yang permukaannya tidak rata sehingga sinar terpantulkan secara tidak teratur. Hal ini ditunjukan pada Gambar 4.

## Gambar 4. Pemantulan baur
3. Pemantulan Fresnel
Pemantulan  Fresnel  terjadi  ketika  sinar  datang  dari  suatu  medium  dengan  indeks  bias tertentu mengenai suatu medium lainnya yang berbeda indeks biasnya. Sinar ini kemudian akan  mengalami pemantulan  (refleksi) dan  pembiasan  (refraksi), seperti ditunjukan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Pemantulan Fresnel

## 3 Percobaan

## 3.1 Pembuatan Perangkat
Sebuah  perangkat  pengukuran  terdiri  dari  sensor,  transmitter  data,  pengolah  data  dan tampilan  antarmuka.  Sensor  dalam  penelitian  ini  adalah  LDM  yaitu  Fluke  414D  dan pelampung.  Transmitter  data  yang  digunakan  adalah  LR4  interface  board  [3].  Pengolah data  yang  digunakan  adalah  mikrokontroller  Arduino  dan  perangkat  lunak  Matlab.  Hasil pengukuran  ditampilkan  dalam  GUI  Matlab  dan  data  disimpan  dalam  bentuk Comma Separated Value (CSV).
Gambar 6. Alur pembuatan perangkat LATG

## 3.2 Perancangan Desain Permukaan Pelampung
Pelampung  dibuat  dari  bahan  akrilik.  Untuk  mendapatkan  permukaan  pelampung  yang menghasilkan  nilai  pengukuran  paling  optimum,  maka  dilakukan  beberapa  pengujian terhadap variasi yang dianggap dapat mempengaruhi hasil pengukuran sebagai berikut
A. Variasi warna: merah, putih, hijau dan hitam.
B. Variasi  kekasaran  permukaan  :  kekasaran  permukaan  dikuantifikasi  dengan menghitung  entropi  dari  permukaan  masing-masing  pelampung  dan  didapatkan entropi sebesar: 2.54, 3.08, 3.69.
C. Variasi intensitas cahaya  lingkungan: pengukuran  dilakukan  pada  kondisi cahaya lingkungan  yang  berbeda-beda  yang  intensitasnya  sebesar:  2  lux,  113  lux  dan 1200 lux.

## 3.3 Metode Pengambilan Data Pengujian Karakteristik LDM dan Pelampung
Pengambilan  data  untuk  pengujian  karakteristik  LDM  dan  pelampung  tanpa  cairan dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
1. Pengukuran  dilakukan  dengan  bantuan  garis  dengan  meteran  sepanjang  10m dengan ketelitian 1mm.
2. Perangkat pengukuran LDM ditaruh pada titik 0m di penggaris.
3. Pelampung  diletakkan  tegak  lurus  dengan  keluaran  sinar  laser  pada  titik-titik pengukuran dimulai dari yang terdekat yaitu 5cm sampai dengan 10m dengan titik pengukuran per 50cm secara bergantian.
4. Di  setiap  titik  pengukuran  diambil  sampel  data  sebanyak  30  buah  untuk  setiap variasi warna, kekasaran permukaan dan intensitas cahaya.

## Gambar 7. Metode pengukuran pengambilan data pengujian karakteristik LDM dan pelampung

## 3.4 Metode Pengambilan Data Kontrol Ketinggian Cairan
Pengambilan data kontrol ketinggian cairan dilakukan dengan tahap seperti berikut.
1. Air dimasukan ke dalam tangki reservoir hingga hampir penuh.
2. Pelampung dan tiang penyangga dimasukan kedalam tangki dan LATG diletakan di atasnya.
3. LATG dan aktuator dihubungkan dengan relay.
4. Aktuator dihubungkan dengan relay.
5. Konfigurasi relay pada Arduino diatur
6. Valve-shut Set Point pada Arduino diset pada nilai 30
7. Pump-off Set Point pada Arduino diset pada nilai 90
8. Dilakukan 30 kali pump-drain .
9. Langkah 8 diulangi dengan Pump-off Set Point 89, 88.
10. Ulangi poin 8 dan 9 dengan mengubah Valve-shut Set Point 40, 50, 60, 70 dan 80.

## 4 Hasil dan Analisis

## 4.1 Pengujian Karakteristik LDM
Pengujian  karakteristik  LDM  yang  dilakukan  adalah  pengujian  linieritas  dan  pengujian pemantulan  Fresnel.  Pengujian  linieritas  LDM  didapatkan  hasil  yang  linier  dengan  nilai akurasi sebesar 99% dan presisi sebesar 99%. Sedangkan pengujian pemantulan Fresnel menghasilkan data yang tidak linier dan nilai akurasi sebesar 40.39% dan presisi sebesar 59.88%  [9].  Selain  itu  waktu  untuk  mengumpulkan  30  sampel  data  juga  lebih  lama disebabkan karena terjadinya kegagalan dalam pengukuran.

## 4.2 Pengujian Karakteristik Pelampung
Pengujian karakteristik pelampung yang dilakukan yaitu dengan memberikan variasi pada permukaan pelampung dan didapatkan hasil pengukuran sebagai berikut.
A. Variasi Warna
Tabel 1. Hasil pengukuran pengujian variasi warna pelampung Variasi Warna Akurasi (%) Presisi (%) Merah 99.72 99.76 Hitam - - Putih 99.8 99.82 Hijau 99.63 99.71
Terlihat dari hasil pengujian pada tabel 1 bahwa nilai akurasi dan presisi tertinggi ada pada pelampung dengan warna putih. Hal ini terjadi karena warna putih memiliki sifat yaitu menyerap energi paling sedikit sehingga energi dan intensitas sinar pantul yang diterima menjadi lebih banyak.
B. Variasi kekasaran permukaan
Tabel 2. Hasil pengukuran pengujian variasi kekasaran permukaan
Entropi Akurasi (%) Presisi (%) 2.54 99.88 99.89 3.08 99.83 99.85 3.69 99.79 99.85
Hasil  pengujian  pada  tabel  2  menunjukkan  bahwa  nilai  akurasi  dan  presisi tertinggi  yaitu  pada  pelampung  dengan  nilai  entropi  terkecil  (e  =  2.54)  karena pemantulan  sinar  terjadi  secara  hampir  sempurna.  Permukaan  kasar  dan berentropi  besar  akan  menyebabkan  pemantulan  terjadi  secara  difus  sehingga intensitas  sinar  yang  diterima  menjadi  lebih  sedikit.  (Entropi  merupakan  derajat
ketidakteraturan dimana permukaan yang halus memiliki nilai entropi yang rendah sedangkan permukaan kasar memiliki nilai entropi yang tinggi)
C. Variasi Intensitas Cahaya Lingkungan
Tabel 3. Hasil pengukuran pengujian variasi intensitas cahaya lingkungan
Intensitas Cahaya Lingkungan (lux) Akurasi (%) Presisi (%) 2 99.88 99.89 113 99.80 99.82 1200 99.79 99.81
Dari  tabel  3  terlihat  bahwa  semakin  kecil  intensitas  cahaya  lingkungan,  nilai akurasi  dan  presisi  pengukuran  semakin  baik.  Hal  ini  disebabkan  karena noise pada pengukuran lebih sedikit sehingga intensitas sinar pantul yang diterima akan lebih banyak jika intensitas cahaya lingkungan kecil.

## 4.3 Pengujian ATG
Dari hasil pengujian pelampung yang telah dilakukan didapatkan bahwa pelampung yang memberikan  nilai  hasil  pengukuran  terbaik  yaitu  pelampung  berwarna  putih  dengan permukaan  halus.  Pelampung  ini  kemudian  diuji  untuk  mengukur  ketinggian  cairan  pada tangki  ATG  simulasi.  Gambar  8  menunjukan  bahwa  hasil  pengukuran  linier  dengan  nilai akurasi sebesar 99.74% dan presisi sebesar 99.46%
Gambar 8. Grafik hasil pengukuran pengujian ATG

## 4.4 Pengontrolan Ketinggian Cairan
Pada  pengujian  pengontrolan  ketinggian  cairan  didapatkan  rata-rata  akurasi  dan  presisi adalah sekitar 90%.  Kesalahan  yang terjadi sebagian  besar disebabkan  oleh terdapatnya delay  pada  pengukuran  sebesar  0.3  detik,  yang  berarti  setiap  kali  data  pengukuran diperoleh,  maka  hasil  pengukuran  itu  merupakan  hasil  pengukuran  sebelumnya.  Hal  lain
yang  menimbulkan  kesalahan  adalah  terdapatnya  riak  air.  Gambar  9  menunjukan  grafik akurasi dan presisi yang dihasilkan pada kontrol ketinggian cairan ini.

## Gambar 9 Diagram presisi dan akurasi kontrol ketinggian cairan

## 5 Kesimpulan
Dari  seluruh  hasil  pengujian  yang  dilakukan,  didapatkan  bahwa  LATG  dengan  konfigurasi terbaik  adalah  yang  menggunakan  pelampung  akrilik  berwarna  putih  dengan  permukaan halus.
LATG  ini  juga  dapat  digunakan  untuk  pengukuran  pada  permukaan  apapun.  Hal  ini ditunjukan  oleh  akurasi  seluruh  hasil  pengukuran  yang  diatas  99%  meskipun  diberikan variasi warna, kekasaran permukaan dan intensitas cahaya lingkungan.

## 6 Daftar Pustaka
[1] Honeywell. 2010. Instruction manual series 854 ATG level gauge . Enraf manual book.
[2] Kilpela,  Ari.  2004. Pulsed  time-of-flight  laser  rangefinder  techniques  for  fast,  high precision  measurement  applications .  Department  of  Electrical  and  Informatics. University of Oulu, Oulu.
[3] LR4 Laser Rangefinder Interface. Product data sheet, Porcupine Electronics LLC.
[4] Mangal, Aman.  2012. Serial Communication between Arduino and Matlab. IIT Bombay.
[5] RIEGL Laser Measurement System, Appl. Note AN-GI002 pp. 1/6.
[6] RIEGL Laser Measurement System, Appl. Note AN-GI003 pp.2/6
[7] RIEGL Laser Measurement System, Appl. Note AN-GI004 pp.4/6
[8] Suprijanto,  Nadhira  V.,  et  al.,  2011. Digital  Dermatoscopy  Method  for  Human  Skin Roughness Analysis . ITB Journal 5(1), 57-71.
[9] Taylor, John R..  1997. An Introduction  to  Error Analysis : The study of uncertainties in physical measurements. California : University Science Books.