Prototipe Densitometer Berdasarkan Perbedaan Gaya Buoyancy Berbasis Sensor Piezoresistif dan Sensor Infra-Red Thermometer
1 Raden Mochammad Ridwan, 2 Guntur Putra Pamungkas 1,2 D3 Metrologi dan Instrumentasi Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
1 raden.ridwan@live.com
2 gunturppamungkas@gmail.com

## Abstrak
Massa jenis adalah karakter fisik suatu zat yang mengukur seberapa kuat ikatan antar partikel dalam setiap zat. Penelitian ini sebagai bentuk pengembangan dari penelitian sebelumnya yang membuat prototipe  densitometer  berdasarkan  perbedaan  gaya  buoyancy  berbasis  sensor  piezoresistif  dan menitikberatkan  pada  pengintegrasian  sensor  suhu  ke  dalam  prototipe  sebagai  faktor  koreksi  dari pembacaan  nilai  massa  jenis.  Hasil  dari  pengujian  prototipe  dengan  menggunakan  air  keran menunjukkan nilai massa jenis sebesar 1188.09 kg/m3 dengan suhu sebesar 25.34ºC dan 1103.81 kg/m3  dengan  suhu  sebesar  53.47ºC,  larutan  air  dan  garam  yang  divariasikan  konsentrasinya berkisar antara 1202.68 kg/m3 sampai 1272.12 kg/m3 dengan suhu ruang antara 23.30ºC sampai 25.08ºC,  serta  larutan  air  dan  garam  yang  divariasikan  konsentrasi  dan  suhunya  berkisar  antara 1132.64 kg/m3 sampai 1224.30 kg/m3 dengan rentang suhu antara 35.29ºC sampai 43.22ºC.

## Kata kunci: massa jenis; suhu; buoyancy; piezoresistif

## 1 Pendahuluan
Salah  satu  konsep  terpenting  dalam  ilmu  pengetahuan  adalah  massa  jenis.  Massa  jenis adalah salah satu karakteristik fisik dari suatu zat, baik zat padat, cair, maupun gas, yang merupakan hubungan antara massa dan volume. Massa, ukuran, dan bagaimana partikel dari  zat  tersebut  tersusun  atau  berikatan  satu  sama  lain  menentukan  massa  jenis  dari suatu zat dan sejatinya massa jenis mengukur seberapa kuat ikatan antar partikel dalam setiap zat.
Penelitian  ini  sebagai  bentuk  pengembangan  dari  penelitian  sebelumnya  yang  membuat prototipe  densitometer  berdasarkan  perbedaan  gaya  buoyancy  berbasis  sensor piezoresistif. Penelitian ini menitikberatkan pada pengintegrasian sensor piezoresistif dan sensor  infra-red  thermometer  menjadi  satu  kesatuan.  Prototipe  tersebut  merupakan  alat ukur  massa  jenis  dengan  menggunakan  prinsip  perbedaan  gaya  buoyancy  dengan penunjukan  digital.  Prototipe  tersebut  bekerja  dengan  prinsip  sebuah  bandul  dicelupkan pada  cairan  uji  sehingga  menimbulkan  gaya  reaksi  dari  cairan  berupa  gaya  buoyancy. Selisih antara berat bandul dengan gaya buoyancy cairan dibaca oleh sensor piezoresistif dan  diubah  menjadi  hambatan  listrik  yang  kemudian  dikonversikan  menjadi  sinyal tegangan  oleh  pengondisi  sinyal.  Selanjutnya  sinyal  tegangan  ini  dikonversi  oleh mikrokontroler menjadi besaran massa jenis yang terukur dan ditampilkan pada LCD.
Prototipe sebelumnya memiliki kekurangan, antara  lain  belum adanya sensor suhu  untuk mengukur suhu cairan uji ketika pengukuran sedang dilakukan sehingga nilai koreksi suhu masih  diabaikan. Selain  itu, sensor piezoresistif  memiliki sensitifitas yang tinggi  sehingga rentan  terhadap  pergeseran  penekan  sensor  akibat  dari  tali  bandul  yang  berisolasi.  Tali
bandul  yang  berisolasi  dapat  merubah  vektor  gaya  yang  diterima  sensor  dan  membuat tumpuan yang menindih sensor sedikit bergeser (Choirul rizal dan Lalu airf risman hakim, 2014) sehingga perlu mengganti mekanisme penekan sensor yang lebih baik. Penelitian ini dimaksudkan  untuk  meminimalkan  kekurangan  tersebut  dengan  membuat  prototipe  alat ukur massa jenis fluida cair yang menggunakan prinsip perbedaan gaya buoyancy dengan penunjukan  digital  dan  mengganti  mekanisme  penekan  sensor  piezoresistif  serta melakukan  penambahan  sensor  infra-red  thermometer  yang  merupakan  pengembangan dari projek akhir sebelumnya.
Materi uji yang digunakan pada pengujian adalah zat cair. Zat cair yang merupakan fluida adalah sebuat zat dengan tingkat kekakuan yang cukup rendah jika dibandingkan dengan zat padat sehingga partikel-partikel di dalamnya dapat bergerak lebih leluasa dan memiliki tingkat  kompresibilitas  yang  lebih  rendah  jika  dibandingkan  zat  gas.  Pada  fluida  cair dengan  karakter  immiscible,  yaitu  fluida  yang  tidak  homogen  ketika  dicampur,  fluida dengan nilai densitas lebih rendah akan mengapung dan fluida dengan nilai densitas lebih tinggi  akan  tenggelam  [2].  Berangkat  dari  prinsip  tersebut,  pengukuran  massa  jenis memiliki peran yang cukup banyak, seperti dalam pengukuran kekentalan suatu cairan dan pengukuran kadar suatu zat pada cairan.

## 2 Metode Penelitian
Prototipe terdiri dari dua perangkat, yaitu perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras  prototipe  terdiri  dari  sensor  piezoresistif  sebagai  pembaca  nilai  massa  jenis  cairan uji,  sensor  infra-red  thermometer  sebagai  pembaca  suhu  cairan  uji,  rangkaian  pembagi tegangan,  rangkaian  catu  daya,  mikrokontroler  Arduino  UNO,  LCD  2×16,  motor  DC,  dan relay.  Sedangkan  perangkat  lunak  terdiri  dari  Arduino  sebagai  bahasa  pemrograman mikrokontroler  dan  program  pengolah  data  serta  komunikasi  data.  Bentuk  secara keseluruhan dari prototipe ini ditunjukkan pada Gambar 1.

## Gambar 1 Prototipe densitometer
Gelas  yang  berisi  cairan  uji  diletakkan  pada  sebuah  dudukan  yang  dapat  bergerak  naik maupun turun  dengan  motor dc sebagai penggeraknya.  Sebuah bandul berbentuk peluru dengan massa sebesar 1.5 kg digunakan sebagai pemberat yang akan menarik penekan sensor ketika permukaan bandul tercelup sepenuhnya di dalam cairan uji. Ketika seluruh permukaan  bandul  tercelup,  berat  bandul  seolah-olah  berkurang  karena  mendapat  gaya reaksi  dari  cairan  uji  berupa  gaya  buoyancy  sehingga  menyebabkan  nilai  keluaran  dari sensor  piezoresistif  yang  berupa  resistansi  berubah.  Selanjutnya  nilai  keluaran  sensor piezoresistif  akan  diubah  menjadi  sinyal  standar  0-5V  dan  akan  dikonversi  menjadi  nilai massa  jenis  dengan  nilai  konversi  adalah  hasil  regresi  dari  kalibrasi  sensor  piezoresistif dan alat ukur standar yaitu hydrometer.
Pada saat permukaan bandul tercelup sepenuhnya di dalam cairan uji, suhu dari cairan uji akan  dibaca  oleh  sensor  infra-red  thermometer  untuk  selanjutnya  diolah  oleh mikrokontroler  dan  digunakan  sebagai  faktor  koreksi  dari  nilai  massa  jenis.  Suhu merupakan faktor koreksi yang secara fisik mempengaruhi karakteristik ikatan dari partikel penyusun  suatu  materi  yang berakibat pada  perubahan  nilai massa  jenis. [7]  Persamaan matematika untuk koreksi suhu cairan uji sebagai berikut
  t t Ct   0
000025 . 0    t t Ct   0
000025 . 0  (1)
dimana Ct adalah koreksi suhu cairan uji, 0.000025 adalah konstanta faktor koreksi suhu, ρ  adalah  massa  jenis  cairan  uji  terukur,  t0  adalah  suhu  referensi  yaitu  suhu  kamar,  t adalah suhu saat pengujian yang terbaca oleh sensor infra-red thermometer

## 3 Hasil dan Pembahasan
Pengujian kalibrasi dan validasi prototipe menggunakan enam sampel cairan uji, yaitu air keran sebanyak 800 mL dan air keran sebanyak 800 mL ditambah garam dapur sebanyak 50  gr  sampai  250  gr  dengan  penambahan  sebesar  50  gr  tiap  cairan  uji.  Pengujian dilakukan dengan metode perbandingan langsung menggunakan hydrometer sebagai alat ukur standar.

## 3.1 Kalibrasi Sensor IR Thermometer
Hasil  kalibrasi  sensor  IR  Thermometer  dengan  waterbath  dan  thermocouple  ditampilkan pada Tabel 1
Tabel 5 Hasil kalibrasi sensor IR Thermometer dengan waterbath dan thermocouple
. Suhu Standar (°C) S UHU U JI R ATA - RATA (°C) 18.00 17.71 18.10 17.73 18.20 17.86 18.30 17.94 18.40 18.03 18.50 18.13 18.60 18.21 18.70 18.32 18.80 18.42 18.90 18.49 19.00 18.62 19.10 18.76 19.20 18.80 19.30 19.01 19.40 19.02 19.50 19.15 19.60 19.25 19.70 19.33 19.80 19.46 19.90 19.57 20.00 19.65 20.10 19.75 20.20 19.87 20.30 19.96
. Suhu Standar (°C) S UHU U JI R ATA - RATA (°C) 20.40 20.02 20.50 20.16 20.60 20.23 20.70 20.32 20.80 20.46 20.90 20.53 21.00 20.66 21.10 20.73 21.20 20.85 21.30 20.94 21.40 21.04 21.50 21.12 21.60 21.28 21.70 21.35 21.80 21.41 21.90 21.55 22.00 21.57
Dari  data  pada  Tabel  1  dapat  diketahui  bahwa  hasil  pembacaan  sensor  IR  Thermometer memiliki  selisih  sebesar  0.29°C  sampai  0.43°C  dengan  standar  yang  digunakan  yaitu waterbath  dan  thermocouple.  Hasil  pembacaan  sensor  IR  Thermometer  masih  dapat diterima  karena  selisih  antara  pembacaan  sensor  dengan  pembacaan  standar  masih berada dalam Batas Kesalahan yang Diizinkan (BKD).
Gambar 2 Kurva hasil kalibrasi sensor IR Thermometer dengan waterbath dan thermocouple
Pada Gambar 2 dengan x sebagai nilai keluaran waterbath dan y sebagai nilai pembacaan sensor IR Thermometer,  secara matematis hubungan tersebut dapat dimodelkan menjadi persamaan matematika berikut,
3269 . 0 9948 . 0   x y (2)

## 3.2 Kalibrasi Sensor Piezoresistif
Hasil kalibrasi pembacaan sensor piezoresistif berupa tegangan dengan alat ukur standar hydrometer ditampilkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Hasil kalibrasi sensor piezoresistif dengan hydrometer
Air keran 800 mL + garam x gram Pembacaan hydrometer (kg/m 3 ) Pembacaan sensor piezoresistif (V) 0 995 3.55 50 1040 3.40 100 1074 3.38 150 1110 3.36 200 1144 3.35 250 1178 3.30
Ketika cairan uji berupa air keran 800 mL memiliki nilai massa jenis sebesar 995 kg/m3 dan  pembacaan  sensor  piezoresistif  sebesar 3.55 V sedangkan  cairan  uji berupa  larutan air keran 800 mL dan garam 250 g memiliki nilai massa jenis  sebesar 1178 kg/m3 dan pembacaan  sensor  piezoresistif  sebesar  3.30  V.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  semakin besar nilai massa jenis, maka semakin rendah nilai dari tegangan yang terbaca oleh sensor piezoresistif. Dengan kata lain, hubungan antara massa  jenis dari cairan uji yang terbaca oleh hydrometer dan sensor piezoresistif memiliki nilai yang berbanding terbalik.
Gambar 3 Kurva hasil kalibrasi sensor piezoresistif dengan hydrometer
Pada Gambar 3 dengan x sebagai nilai keluaran sensor piezoresistif berupa tegangan dan y sebagai  nilai  pembacaan  hydrometer,  secara  matematis  hubungan  tersebut  dapat dimodelkan menjadi persamaan matematika berikut,
1 . 3532 33 . 720    x y (3)

## 3.3 Uji Validasi
Uji validasi adalah konfirmasi melalui pengujian prototipe dengan model matematika yang telah  ditanamkan  ke  dalam  mikrokontroler  untuk  mengetahui  dan  memastikan  bahwa metode  kalibrasi  dan  pengujian  telah  sesuai  untuk  penggunaan  pengukuran  massa  jenis dan mampu menghasilkan data yang valid [14]. Pada uji validasi, cairan uji yang digunakan memiliki  suhu  yang  bervariasi  dengan  tujuan  untuk  mengetahui  bagaimana  nilai  massa jenis  dari  cairan  uji  yang  sama  ketika  mengalami  perubahan  suhu.  Hasil  dari  uji  validasi ditampilkan pada Tabel 3.
Tabel 6 Data hasil uji validasi prototipe Cairan Uji Suhu Cairan Uji (°C) Massa Jenis (kg/m 3 ) Air keran 800 mL 25.34 1188.09 53.47 1103.81 Air keran 800 mL + 50 gr garam 25.08 1202.68 43.22 1132.64 Air keran 800 mL + 100 gr garam 24.66 1219.78 41.10 1153.44 Air keran 800 mL + 150 gr garam 23.68 1236.50 38.23 1177.60 Air keran 800 mL + 200 gr garam 23.32 1254.67 36.97 1196.89 Air keran 800 mL + 250 gr garam 23.30 1272.12 35.29 1224.30
Dari  hasil  uji  validasi  prototipe,  didapatkan  bahwa  dengan  bertambahnya  suhu  maka massa  jenis  dari  cairan  uji  akan  menurun  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Tabel  3  hal  ini sesuai dengan Particle Theory of Matter yang menjelaskan pemodelan saintifik dari struktur materi  bahwa  semua  materi  tersusun  dari  partikel  yang  sangat  kecil.  Partikel  penyusun materi tersebut secara konstan dan aktif bergerak sesuai dengan derajat kebebasan dari partikel itu sendiri. Derajat kebebasan tersebut ditentukan dari jumlah energi kinetik yang dimiliki  materi  tersebut.  Energi  kinetik  rata-rata  dari  partikel  di  dalam  sebuah  materi berkaitan erat dengan suhu. Dengan meningkatnya suhu dari sebuah materi, ikatan antar molekul  penyusunnya  akan  menurun  karena  besarnya  nilai  gaya  tarik  antar  molekul berbanding terbalik dengan  suhu  sehingga  menyebabnkan  menurunnya  nilai massa  jenis dari sebuah materi [8].

## 4 Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan
1. Hasil kalibrasi sensor IR Thermometer dengan waterbath dapat dimodelkan menjadi
2. Hasil kalibrasi sensor piezoresistif dengan hydrometer dapat dimodelkan menjadi
3. Suhu  mempunyai  peran  penting  dalam  menentukan  nilai  massa  jenis  suatu  materi karena  suhu  sebagai  faktor  koreksi  yang  secara  fisik  mempengaruhi  karakteristik ikatan  dari  partikel  penyusun  suatu  materi.  Ketika  terjadi  peningkatan  suhu,  maka ikatan  antar  partikel  penyusun  materi  akan  merenggang  sehingga  menyebabkan peningkatan  volume  materi  yang  mengakibatkan  menurunnya  massa  jenis  suatu materi.

## 5 Referensi
[1] Finnemore,  E.  John  and  Franzini,  Joseph  B.  2002.  Fluid  Mechanics  with  Engineering Application. New York: McGraw Hill
[2] Elmhurst College. 2002. Density – a Physical Property. http://chemistry.elmhurst.edu. Tanggal akses 2 Februari 2016
[3] Simanek, Donald. Buoyancy. http://lhup.edu. Tanggal akses 7 Februari 2016
[4] Force Sensitive Hookup Guide. http://learn.sparkfun.com. Tanggal akses 28 Februari 2016
[5] 2011. Is it hot? Arduino + MLX90614 IR Thermometer. http://bildr.org. Tanggal akses 28 Februari 2016
[6] Using  Melexis  MLX90614  Non-Contact  Sensors.  http://learn.adafruit.com.  Tanggal akses 28 Februari 2016
[7] Shapley, Patricia. 2011. Temperature Effects on Density. University of Illinois
[8] McKeon, Frankie. 2000. Particle Theory. University of Leicester
[9] Factors that Affect Fluids. Nova Scotia Canada [10] Infrared Thermometer Guide. Electronic Temperature Instruments Ltd. http://thermometer.co.uk. Tanggal akses 8 Mei 2016
[11] 2015. Infrared Thermometers. http://grainger.com. Tanggal akses 8 Mei 2016
[12] What is CMOS?. http://windows.microsoft.com. Tanggal akses 9 Mei 2016
[13] Osborne, Frank H. Regression and Correlation. Kean University
[14] ISO/IEC 17025
[15] Dechev, N. Microelectromechanical Systems Lecture 10: Piezoresistivity. University of Victoria
[16] Modul Praktikum RL. Teknik Elektro Universitas Islam Sultan Agung
[17] Arduino UNO. http://arduino.cc. Tanggal akses
[18] Widyotriatmo, Augie. Komunikasi Data. Institut Teknologi Bandung
[19] Pramono, David. Data Communication. Surabaya: Universitas Kristen