JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
Pemanfaatan Hukum Snellius Sebagai Dasar Alat Ukur
Indeks Bias Dan Viskositas Larutan Garam Berbasis
Mikrokontroler AVR ATMega8535
Donni Kis Apriyanto, Gurum Ahmad Pauzi, Warsito
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung
Jl. Sumantri Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung
Email: [email protected], [email protected], [email protected]
Diterima (tulis tanggal kirim email), direvisi (tulis tanggal terima revisi email)
Abstrak. Telah direalisasikan sebuah alat pengukur indeks bias larutan yang sekaligus menampilkan
nilai viskositasnya dengan menerapkan hukum Snellius dengan tampilan LCD. Alat tersebut terdiri
dari sensor LDR, potensiometer multiturn, motor stepper, mikrokontroler ATMega 8535 dan LCD
16x2. Proses kerja alat yaitu sensor LDR bergerak horizontal mencari berkas cahaya paling terang
dari sinar laser yang telah dibiaskan oleh cairan. Pergerakan LDR secara horizontal ini dibantu oleh
motor stepper bipolar dan belt. Ketika sensor LDR terkena cahaya laser, maka sensor LDR akan
berhenti bergerak dan mikrokontroler akan membaca keluaran dari potensiometer multiturn yang
sebelumnya ikut berputar seiring dengan pergerakan LDR. Keluaran dari potensiometer multiturn ini
akan dikonversikan sebagai bentuk perubahan jarak LDR dan akan dihitung oleh program sebagai
nilai indeks bias cairan dan viskositas cairan. Nilai viskositas yang didapatkan merupakan hasil
perhitungan numerik program dimana terlebih dahulu dicari hubungan antara perubahan nilai indeks
bias terhadap viskositas yang didapat dari hasil eksperimen. Persamaan empiris antara nilai indeks
bias dan nilai viskositas pada larutan garam yaitu 𝜂 = 0,0014𝑛 + 0,0028. Alat ini baik digunakan
untuk menampilkan nilai visksositas larutan garam sedangkan nilai indeks bias dapat digunakan
untuk semua cairan yang mampu dilewati cahaya tampak. Rentang pengukuran dari alat yang dibuat
untuk nilai indeks bias larutan garam yaitu 0,66 sampai 5,69 dan nilai viskositasnya antara 0,003718 P
sampai 0,010723 P.
Kata Kunci: Indeks Bias, Viskositas, Larutan Garam, Mikrokontroler
zat cair dan gas. Alat pengukur viskositas suatu
PENDAHULUAN
Indeks bias suatu zat merupakan ukuran
kelajuan cahaya di dalam zat cair dibanding
ketika
di
udara
(Murdaka,
Karyono,
&
Supriyatin, 2010). Sedangkan viskositas dalam
istilah orang awam adalah ukuran kekentalan
suatu cairan. Semakin besar nilai viskositas
suatu zat cair maka semakin besar pula
kekentalan cairan tersebut. Secara umum
viskositas terdapat pada zat alir (fluida) seperti
cairan
disebut
viskosimeter
(viscometer).
Pengukuran viskositas lebih banyak digunakan
orang untuk zat cair ketimbang zat gas, seperti
viskositas oli pelumas mesin, produk susu, cat,
air minum, darah, minyakg oreng, sirup dan
sangat jarang digunakan untuk zat gas. Ini
berarti tidak sedikit bidang profesi yang
membutuhkan
data
viskositas
diantaranya
fisikawan, kimiawan, analis kimia industri,
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
dokter, kimia farmasi, kimia lingkungan,
laser
perminyakan,
potensiometer multiturn, mikrokontroler dan
biokimia
dan
sebagainya
(Suciyati & Surtono, 2009).
merah
penampil
Pengukuran indeks bias dalam industri dapat
di
bagian
informasi
atasnya,
LCD.
LDR,
Diagram
blok
rancangan alat dapat dilihat pada Gambar 1.
digunakan untuk menemukan parameter fisik
Larutan Garam
Laser
berupa konsentrasi, suhu, tekanan dan lain-lain
(Govindan, Gobi, & Raj, 2009). Indeks bias dan
LDR
viskositas memiliki banyak manfaat dalam
kehidupan
sehari-hari,
misalnya
sebagai
μC
Motor
LCD
parameter kualitas minyak goreng dimana
minyak yang memiliki kualitas paling baik
yaitu minyak yang memiliki indeks bias dan
viskositas yang tinggi (Sutiah, Firdausi, &
Budi, 2008).
Alat ukur indeks bias memiliki banyak
macam sesuai dengan prinsip pengukuran yang
digunakan salah satunya yaitu refraktometer.
Sedangkan untuk mengetahui nilai viskositas
suatu cairan digunakan viskosimeter dengan
berbagai metode. Kedua alat ini cukup rumit.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini didisain
alat pengukur indeks bias dengan menerapkan
hukum Snellius. Alat pengukur ini akan dibuat
dengan hasil dapat dilihat pada LCD. Selain itu,
dilakukan analisis hubungan indeks bias dan
viskositas suatu fluida sehingga pada tampilan
LCD selain nilai indeks bias juga ditampilkan
nilai viskositas fluida tersebut dengan mencari
hubungan keduanya dengan persamaan empiris.
METODE PENELITIAN
Potensiometer Multiturn
Gambar 1. Diagram blok alat pengukur indeks bias
dan viskositas cairan.
Cairan ditempatkan di dalam wadah kaca
yang akan dilewatkan cahaya tampak. Akan
terjadi pembelokkan cahaya karena perbedaan
kerapatan medium. Sensor LDR akan bergerak
horizontal terhadap kaca dengan bantuan motor
dan akan berhenti ketika LDR mengenai cahaya
yang telah melewati wadah kaca yang berisi
cairan. Pergerakan LDR ini bersamaan dengan
memutarnya potensiometer multiturn sehingga
jarak
yang
Alat pengukur indeks bias yang dibuat pada
penelitian ini terdiri dari penampung cairan
yang terbuat dari kaca dengan sumber cahaya
oleh
LDR
direpresentasikan oleh besarnya resistansi yang
dihasilkan
oleh
potensiometer
multiturn.
Keluaran dari potensiometer multiturn adalah
tegangan yang akan dibaca oleh mikrokontroler
ATMega8535. Tegangan masukan tersebut
akan dimasukkan dalam persamaan untuk
mencari nilai indeks bias serta viskositas dan
ditampilkan
PERANCANGAN ALAT
ditempuh
pada
LCD.
Persamaan
yang
digunakan untuk mencari indeks bias suatu
cairan seperti pada persamaan (1) (penjabaran
persamaan
terdapat
di
lampiran)
dan
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
persamaan
yang
digunakan
untuk
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
nilai
Mulai
viskositas sesuai dengan persamaan (2).
𝑛𝑓 =
𝑛𝑢 sin 𝑖 2
√𝑙 + 𝑡3 2
𝑙
High
(2)
merupakan
Low
Motor diam
(2)
𝜂 = (0.0014 𝑛𝑓 ) + 0.0028
Persamaan
Baca LDR
(1)
Motor berputar
ke kanan
Baca Potensiometer Multiturn
persamaan
empiris yang didapatkan dari hubungan indeks
bias
dan
viskositas
larutan
garam
hasil
Hitung nilai indeks bias dan viskositas
eksperimen.
> 70
Baca ADC
Potensiometer multiturn
PEMBUATAN ALAT
Alat yang dibuat terdiri dari rangkaian catu
Motor berputar
ke kiri
< 70
Motor berhenti
daya dengan output 5 volt dan 12 volt,
rangkaian sensor, rangkaian sistem minimum
Selesai
mikrokontroler ATMega8535, rangkaian LCD
dan
rangkaian
motor
stepper.
Secara
keseluruhan, rangkaian elektrik dari alat yang
dibuat seperti pada Gambar 2.
Gambar 3. Diagram alir pembuatan perangkat
lunak.
Perancangan
dilakukan
pada
perangkat
lunak
penelitian
ini
yang
meliputi
perancangan lunak pada mikrokontroler ke
LCD serta rangkaian driver motor stepper.
Perangkat lunak mikrokontroler ini berisi
deretan
instruksi
yang
dieksekusi
oleh
mikrokontroler untuk kendali ADC, LCD dan
rangkaian driver motor stepper. Perangkat lunak
penelitian ini dibuat dengan menggunakan
bahasa BASIC dan kompiler BASCOM AVR.
Diagram alir pembuatan perangkat lunak seperti
pada Gambar 3.
Gambar 2. Rangkaian elektrik alat.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Telah direalisasikan alat pengukur indeks
bias dan viskositas zat cair berdasarkan hukum
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
snellius. Perangkat terdiri dari perangkat keras
Sensor
yang
digunakan
pada
alat
dan perangkat lunak dimana perangkat keras
menggunakan LDR sebagai pendeteksi cahaya
terdiri
dari
catu
mikrokontroler
sensor
dan
daya,
sistem
minimum
laser
ATMega
8535,
rangkaian
potensiometer
tampilan
LCD.
hasil
pembiasan
oleh
cairan
multiturn sebagai
dan
pengubah
Sedangkan
besaran fisis (jarak) ke besaran elektris. Cahaya
perangkat lunak menggunakan bahasa Basic
yang melewati zat cair akan dibiaskan dan
dengan program Bascom AVR. Perangkat keras
besarnya pembiasan diwujudkan dalam bentuk
secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar
besaran elektris oleh potensiometer multiturn.
4.
Sensor LDR dan potensiometer multiturn
dihubungkan dengan sumber tegangan yang
tetap,
sehingga
multiturn
tegangan
sebanding
dengan
potensiometer
perputaran
potensiometer multiturn. Tegangan keluaran
dari potensiometer multiturn selanjutnya diubah
oleh ADC yang telah terintegrasi dalam
mikrokontroler ATMega 8535 menjadi sinyal
digital yang akhirnya akan ditampilkan ke
Gambar 4. Perangkat keras alat pengukur indeks
bias dan viskositas zat cair yang terdiri dari catu
daya (A), potensiometer (B), motor stepper (C),
driver motor (D), Mikrokontroler (E), rangkaian
sensor LDR dan komparator (F), LCD (G), kotak
kaca (H) dan laser dioda (I).
Pada Gambar 4, alat yang dibuat menjadi
LCD.
Setelah alat pengukur indeks bias dan
viskositas selesai dibuat, langkah selanjutnya
adalah melakukan pengujian dan pengambilan
data pengukuran terhadap sampel (zat cair).
dua bagian dimana pada bagian pertama
Hasil
terdapat komponen catu daya, mikrokontroler,
menggunakan alat ini diberikan pada Tabel 1.
rangkaian sensor, motor driver dan LCD.
Sedangkan
pada
bagian
kedua
dari
pengambilan
data
pengukuran
Dari data hasil pengukuran dengan alat yang
terdapat
telah dibuat seperti pada Tabel 1, pada data
potensiometer, motor stepper dan sebuah sensor
viskositas enam angka dibelakang koma bukan
LDR yang menempel pada belt. Pada bagian
secara langsung menunjukkan resolusi dari alat,
kedua merupakan tempat untuk meletakkan
tetapi hanya menyatakan hasil perhitungan
wadah yang berisi cairan. Pemisahan bagian-
numerik dari data yang diolah oleh alat.
bagian ini dimaksudkan supaya tidak terjadi
kerusakan ketika cairan pada wadah mengalami
tumpah pada alat.
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
Tabel 1. Data pengukuran indeks bias dan viskositas zat cair .
No.
Sampel
Data Lab
Data Alat
η (P)
n
n
η (P)
1
air biasa
1,33
0,004661
1,31
0,004638
2
Sampel 1 (air 600 mL + garam 10 gr)
1,43
0,004750
1,38
0,004736
3
Sampel 3 (air 600 mL + garam 30 gr)
1,47
0,004782
1,36
0,004707
4
Sampel 5 (air 600 mL + garam 50 gr)
1,50
0,004819
1,49
0,004888
5
Sampel 7 (air 600 mL + garam 70 gr)
1,53
0,004832
1,53
0,004946
6
Sampel 10 (air 600 mL + garam 100 gr)
1,55
0,004918
1,36
0,004707
Analisis Hubungan Indeks Bias Dan
Viskositas Larutan Garam
sehingga akan memperbesar kerapatan molekul
dan dengan demikian interaksi antar molekul
dan
akan bertambah. Faktor ini akan menyebabkan
mengetahui
cahaya yang dibiaskan semakin besar dan nilai
bagaimana hubungan antara indeks bias dan
indeks bias akan bertambah besar (Tahir &
viskositas larutan garam. Pengambilan data
Nuroniah, 2008). Pada Gambar 5 dapat kita
eksperimen dilakukan sebanyak 3 kali dan
lihat terjadi kenaikan nilai viskositas seiring
diambil data rata-ratanya.
kenaikan nilai viskositas yang cukup linier dan
Analisis
viskositas
hubungan
indeks
dilakukan
untuk
bias
Hasil eksperimen hubungan indeks bias dan
didapatkan persamaan (2).
viskositas larutan garam seperti Gambar 5.
Analisis Perangkat Keras
Sensor LDR pada alat digunakan untuk
Viskositas
(P)
mendeteksi cahaya, ketika tidak terkena cahaya
0.00495
maka keluaran dari rangkaian sensor akan
0.00490
bernilai low begitupun sebaliknya, jika terkena
0.00485
cahaya maka keluaran sensor akan bernilai
0.00480
0.00475
0.00470
1.43
y = 0,0014x + 0,0028
R² = 0,920
1.48
1.53
high.
Potensiometer multiturn digunakan untuk
mengubah besaran fisis (jarak) menjadi besaran
elektrik dimana sifat potensiometer multiturn
Indeks Bias
Gambar 5. Grafik hubungan indeks bias dan
viskositas larutan garam.
yaitu memiliki perubahan resistansi yang linier
ketika
diputar.
Dari
data
potensiometer
Kenaikan nilai indeks bias dikarenakan
multiturn didapatkan deviasi rata-rata setiap
larutan garam (NaCl) mengandung atom Cl
kenaikan jarak 1 mm, nilai ADC bertambah
dimana atom Cl akan menambah nilai indeks
sebesar 2 atau setiap kenaikan nilai ADC
bias. Atom Cl merupakan atom berukuran besar
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx
sebesar 1 merupakan perpindahan jarak sebesar
laboratorium sehingga untuk pembacaan nilai
0,5 mm.
viskositas cairan masih dapat dikatakan baik.
Untuk menggerakkan LDR dan memutar
Rentang nilai pengukuran viskositas yang
potensiometer multiturn maka digunakan motor
mampu ditampilkan alat yaitu antara 0,003718
stepper.
P sampai 0,010723 P.
Motor
steper
merupakan
motor
penggerak dimana motor ini berputar secara
langkah per langkah sehingga memudahkan
dalam
mengatur
Berdasarkan
hasil
penelitian
dan
motor.
Pada
stepper
jenis
pembahasan, maka dapat disimpulkan bahwa
bipolar karena memiliki torsi yang lebih besar
alat ukur indeks bias dan viskositas yang dibuat
dibandingkan motor stepper unipolar dan motor
mampu
dc pada sumber tegangan yang sama.
menampilkan nilai indeks bias dan viskositas
penelitian
pergerakan
KESIMPULAN DAN SARAN
digunakan
motor
berjalan
dengan
baik
dengan
Pada motor stepper, terdapat sebuah gear
yang mendekati nilai indeks bias dan viskositas
untuk memutar belt yang memiliki jari-jari 7
hasil uji laboratorium. Rentang pengukuran
mm. Pada motor stepper yang digunakan,
yang mampu ditampilkam alat untuk nilai
memiliki besar step 6o sehingga untuk satu
indeks bias larutan garam yaitu 0,66 sampai
putaran penuh diperlukan 60 step dimana setiap
5,69 dan nilai viskositasnya antara 0,003718 P
step diberikan waktu 100 ms sehingga untuk
sampai 0,010723 P. Untuk pengembangan dan
satu putaran penuh memerlukan waktu 6 detik.
penyempurnaan penelitian selanjutnya, maka
Oleh karena itu, kecepatan sudut dari motor
disarankan untuk pembuatan alat ukur dengan
stepper ini sebesar π/3 rad/s atau kecepatan
sumber tegangan dari baterai supaya alat dapat
linier sebesar 7,33 mm/s. Panjang rentang belt
dibawa serta penelitian lebih lanjut mengenai
antara
hubungan indeks bias dan viskositas pada
titik
awal
sensor
LDR
sampai
potensiometer multiturn yaitu 125 mm sehingga
larutan garam.
waktu yang diperlukan untuk menggerakkan
LDR tersebut yaitu sekitar 17 detik.
DAFTAR PUSTAKA
Nilai indeks bias cairan yang mampu dibaca
oleh alat yaitu antara 0,66 sampai 5,69. Untuk
nilai viskositas cairan, pada alat dimasukkan
persamaan empiris antara nilai indeks bias dan
viskositas larutan garam. Hal ini dikarenakan
perbedaan persamaan empiris antara cairan
yang digunakan dalam sampel penelitian. Nilai
viskositas larutan garam hasil pembacaan alat
masih mendekati nilai viskositas hasil uji
Giancoli, D. C. (2001). Fisika Edisi ke-5.
Jakarta: Erlangga.
Govindan, Gobi, & Raj, S. G. (2009).
Measurement Of Refractive Index Of Liquids
using Fiber Optic Displacement Sensors.
Journal of American Sciences , 5, 13-17.
Murdaka, B., Karyono, & Supriyatin. (2010).
Penyetaraan Nilai Viskositas terhadap Indeks
Bias pada Zat Cair Bening. Jurnal Berkala
Fisika , 13, 119-124.
JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika
Suciyati, S. W., & Surtono, A. (2009).
Pemanfaatan Sensor Koil Sebagai Detektor
Pencatat Waktu Pada Viscosimeter Metode
Bola Jatuh Berbasis Komputer. Seminar Hasil
Penelitian dan Pengabdian Masyarakat .
Sutiah, Firdausi, K. S., & Budi, W. S. (2008).
Studi Kualitas Minyak Goreng Dengan
Parameter Viskositas Dan indeks Bias. Jurnal
Berkala Fisika , 53-58.
Tahir, I., & Nuroniah, K. W. (2008). Hubungan
Kuantitatif Struktur Dan Indeks Bias Dari
Senyawa Organik Berdasarkan Deskriptor
Molekular. Seminar Khemometrik, AIC.
Vol. xx, No. xx, Tahun xxxx