A. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan dan Hasil Pertanian (TPPHP) dan di Bengkel Departemen Teknik Pertanian IPB. Mulai bulan Maret 2006 sampai bulan November 2006.
B. Bahan dan Peralatan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah 10 buah manggis dengan diameter, berat dan tinggi yang berbeda-beda. Tinggi manggis yang dimaksud yaitu tinggi dari bagian paling bawah manggis sampai bagian atas tidak termasuk tangkai manggis. Berat dan tinggi manggis bisa dilihat pada Lampiran 2. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tranduser pemancar dan penerima gelombang ultrasonik berujung lancip Tipe Krautkramer Ko 5S 56126-568 dengan frekuensi 50 kHz, Strain Gauge (tipe TIPO KFC-5-C1- 11L5003 dengan ekspansi termal 10.8 PPM/˚C, panjang 5 mm, faktor perubahan terhadap temperatur 0.015 % /˚C, resistansi Ω 120.4 + 0.4, gage factor 2.08 + 1 %, output termal + 1.8 με/˚C), seperangkat komputer, rheometer model CR-300, timbangan digital Mettler PM 4800 Delta Range, amplifier Kyowa YA-506B, jembatan wheatstone tipe DB-120, multimeter, digital oscilloscope tipe ETC M621, jangka sorong (150 x 0.05 mm, 6 x 1/128 in) dan lem power glue.
C. Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian ini terdiri dari tiga tahapan yaitu perakitan pengukur gaya tekan tranduser, penentuan besarnya gaya tekan tranduser optimum dan perbedaan kecepatan gelombang ultrasonik pada setiap gaya tekan tranduser. Tahapan – tahapan penelitian tersebut digambarkan dalam sebuah diagram alir pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram alir tahapan penelitian.
1. Perakitan Pengukur Gaya Tekan Tranduser
Untuk melaksanakan penelitian ini, diperlukan pengukur gaya tekan tranduser pada buah manggis. Bagian inilah yang sangat diperlukan untuk melakukan penelitian ini. Tanpa adanya bagian ini, penelitian tidak akan dapat dilaksanakan. Oleh karena itu, perakitan pengukur gaya tekan tranduser menjadi tahapan pertama yang harus dilakukan dalam penelitian ini.
Pengukur gaya tekan tranduser dirakit dengan menggunakan beberapa komponen yang mempunyai fungsi masing-masing. Komponen-komponen tersebut adalah tranduser pemancar dan penerima, dudukan tranduser, cincin ring, strain gauge, dan rangka unit ultrasonik.
Gambar 4. Unit ultrasonik.
13 Ulir
Rel
Dudukan tranduser Perakitan pengukur gaya
tekan tranduser
Penentuan besarnya gaya tekan tranduser optimum
Perbedaan kecepatan gelombang ultrasonik pada setiap gaya tekan tranduser
Tempat dudukan tranduser pemancar dan penerima gelombang ultrasonik didisain agar bisa bergerak maju mundur. Dalam penelitian ini, gaya yang menyebabkan gerak maju mundur tersebut dihasilkan dari kedua tangan. Jadi poros yang ada pada unit ultrasonik tersebut diputar dengan tangan sehingga dudukan tranduser beserta trandusernya, baik pemancar maupun penerima gelombang ultrasonik, akan bergerak maju atau mundur secara bersamaan.
Sebuah ring dipasang pada bagian belakang tranduser pemancar tetapi masih di dalam dudukan tranduser pemancar. Dengan adanya ring yang telah dipasang strain gauge ini, maka besarnya gaya tekan tranduser akan dapat diketahui.
Gambar 5. Ring yang sudah tertempel strain gauge.
Untuk mengetahui besarnya gaya tekan tranduser yang menekan buah manggis, ring harus dipasang strain gauge di sisi luarnya. Alasan mengapa strain gauge tidak dipasang di sisi luar ring adalah karena tingkat kesulitan pemasangannya. Pemasangan strain gauge di sisi dalam ring tentunya akan lebih sulit dan peluang strain gauge menjadi putus akan lebih besar.
Saat manggis memberikan gaya dorong ke tranduser pemancar sebagai reaksi manggis terhadap tranduser pemancar, maka pada ring akan terjadi perubahan bentuk. Bentuk ring yang awalnya bulat, karena ditekan oleh tranduser pemancar maka bentuknya akan berubah menjadi lonjong ke atas. Perubahan bentuk dari ring ini akan menghasilkan nilai tegangan keluaran strain gauge yang kemudian akan dikonversi menjadi nilai gaya tekan.
ring
Ring yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari bahan stainless steel. Lebar ring ini adalah 6 mm. Sedangkan untuk diamaeternya adalah 2.35 cm. Di antara sisi atas bagian dalam dari dudukan tranduser pemancar dengan sisi atas dari ring, harus diberi jarak yang cukup. Begitu pun dengan bagian bawahnya. Jarak ini diperlukan karena saat ring ditekan oleh tranduser pemancar, sisi ring bagian atas dan bawah akan memanjang. Bentuk ring akan menjadi lonjong ke atas dan ke bawah. Besarnya jarak ini tentunya harus disesuaikan dengan penambahan tinggi maksimal ke atas dan ke bawah dari ring ketika ring ditekan oleh tranduser. Pada penelitian ini besarnya jarak tersebut adalah 3.7 mm.
Nilai yang didapatkan dari pengukur gaya tekan tranduser ini masih berupa nilai tegangan keluaran strain gauge. Jadi nilai tersebut masih dalam satuan volt. Untuk mendapatkan nilai gaya tekannya maka harus ada konversi nilai dari volt menjadi kgf.
Besarnya nilai gaya tekan tranduser dapat diperoleh dengan menkonversi nilai tegangan keluaran strain gauge. Untuk melakukan konversi nilai ini digunakan alat rheometer. Ada 2 pengaturan dalam mengoperasikan rheometer, yaitu dengan menentukan nilai kgf-nya terlebih dahulu dan dengan menentukan nilai mm-nya terlebih dahulu. Jika yang ditentukan adalah nilai kgf-nya terlebih dahulu maka penekan pada rheometer yang terus bergerak ke bawah akan berhenti setelah mencapai nilai kgf yang telah ditentukan sebelumnya. Sedangkan jika yang ditentukan dahulu adalah nilai mm-nya, maka penekan pada rheometer akan berhenti bergerak ke bawah jika penekan sudah bergerak ke bawah mencapai jarak dalam mm yang telah ditentukan. Untuk mendapatkan nilai gaya tekan tranduser, pengaturan rheometer yang digunakan adalah dengan menentukan besarnya nilai kgf-nya dahulu. Hal ini disebabkan karena strain gauge yang tertempel pada ring di dalam dudukan tranduser penembak sangatlah sensitif. Nilai terkecil dalam volt yang harus dicari nilainya dalam kgf adalah 0.1 volt. Jika rheometer diatur dengan menentukan besarnya nilai mm-nya dahulu maka nilai 0.1 tersebut tidak dapat diperoleh.
Gambar 6. Rheometer.
Bagian dari pengukur gaya tekan tranduser yang dibutuhkan untuk pengambilan data dengan rheometer adalah ring yang sudah tertempel strain gauge. Ring tersebut adalah ring yang berada di bagian belakang dudukan tranduser yang digunakan pada pengukur gaya tekan tranduser. Ring harus berada tepat di bawah ujung penekan dari rheometer. Pada saat penekan rheometer sudah bergerak ke bawah, ring harus dipegang dengan tangan agar posisi ring tidak berubah ketika ujung penekan rheometer sudah menyentuh ring. Dikarenakan rheometer diatur dengan menentukan nilai kgf-nya dahulu, maka penekan rheometer akan berhenti menekan setelah mencapai nilai kgf yang telah ditentukan. Misalnya nilai yang ditentukan adalah 0.02 kgf. Dengan demikian penekan rheometer akan berhenti menekan setelah mencapai 0.02 kgf. Setelah itu, dapat dilihat berapa besarnya nilai pada multimeter yang telah dihubungkan pada strain gauge. Jika semua data telah diperoleh, maka akan diperoleh hubungan linier antara nilai tegangan keluaran strain gauge dengan nilai gaya tekan tranduser. Dari hubungan linier tersebut diperoleh sebuah persamaan regresi yang dapat digunakan untuk menkonversi nilai tegangan keluaran strain gauge menjadi nilai gaya tekan.
Pengukur gaya tekan tranduser ini bukan hanya digunakan untuk mengetahui gaya tekan tranduser. Mengetahui perbedaan gelombang ultrasonik yang dihasilkan dari setiap nilai gaya tekan tranduser juga merupakan fungsi dari
pengukur gaya tekan tranduser. Agar gelombang ultrasonik yang dihasilkan dapat diamati dan diketahui perbedannya antara gaya tekan tranduser yang satu dengan lainnya, maka pengukur gaya tekan tranduser ini harus dihubungkan dengan sebuah komputer. Jika suatu perangkat dihubungkan dengan komputer, maka bahasa yang yang dikeluarkan oleh perangkat tersebut harus bisa dipahami oleh komputer. Dalam hal ini maksudnya adalah nilai yang dikeluarkan oleh perangkat yang akan menjadi nilai input bagi komputer, nilai tersebut harus bisa dibaca oleh komputer. Dengan demikian dibutuhkanlah sesuatu yang bisa dijadikan converter. Untuk memenuhi kebutuhan ini maka terdapat sebuah program yang bisa digunakan untuk merubah nilai input yang berasal dari perangkat menjadi nilai yang bisa dibaca oleh komputer. Program tersebut dapat dilihat pada Lampiran 6.
Mesti ada sebuah parameter yang dapat menyimpulkan bahwa nilai yang dihasilkan dari pengukur gaya tekan tranduser akan dapat dibaca oleh komputer sehingga pada saat itu juga gelombang ultrasoniknya bisa dilihat pada monitor komputer. Dalam hal ini yang menjadi parameter tersebut adalah diperolehnya persamaan regresi yang didapatkan dari hubungan tegangan dengan nilai komputer. Dengan adanya persamaan regresi ini maka bisa disimpulkan bahwa nilai dari peralatan luar sama dengan nilai konversi yang terbaca di komputer. Dengan kata lain nilai yang terbaca pada komputer adalah nilai dari hasil konversi. Dengan demikian jika persamaan regresi beum didapatkan, maka pengukur gaya tekan tranduser belum bisa bekerja. Akibatnya gelombang ultrasonik pun belum bisa terbaca.
2. Penentuan Besarnya Gaya Tekan Tranduser Optimum
Gaya tekan adalah besarnya gaya yang digunakan suatu benda untuk menekan benda lain. Satuan gaya tekan adalah kgf. Tranduser yang digunakan dalam penelitian ini adalah tranduser yang mempunyai ujung lancip. Jika tranduser ini ditekankan ke buah manggis dengan gaya tekan yang begitu kuat, maka pasti manggis akan rusak. Akan tetapi jika gaya tekan tranduser yang diberikan tidak terlalu kuat, maka kemungkinan besar manggis tidak akan rusak. Dengan demikian sesuai dengan tujuan penelitian ini, diperlukan nilai gaya tekan tranduser yang paling maksimum dimana dengan gaya tekan tersebut manggis
tidak akan rusak. Gaya tekan tersebut bisa dikatakan gaya tekan yang paling optimum.
Untuk melakukan tahapan ini, masing-masing buah manggis harus diberikan 10 titik yang akan disentuh oleh tranduser pemancar dan penerima dengan gaya tekan yang berbeda-beda. Seperti yang telah dijelaskan di awal bahwa nilai gaya tekan tranduser didapatkan dari hasil konversi nilai tegangan keluaran strain gauge. Dengan demikian untuk data awalan yang dihasilkan adalah nilai tegangan keluaran strain gauge yang terpasang pada ring. Interval nilai tegangan keluaran strain gauge tersebut adalah dari 0.1 – 1 volt. Jika ada 10 titik maka dari titik yang satu ke titik yang lain, nilai tegangannya akan meningkat sebesar 0.1 volt.
Besarnya nilai tegangan keluaran strain gauge akan dapat dilihat pada multimeter. Strain gauge pada ring yang terdapat pada dudukan tranduser pemancar akan dihubungkan ke amplifier. Dikarenakan nilai yang bisa dibaca pada amplifier masih berupa analog, maka amplifier dihubungkan dengan multimeter agar nilai tegangan keluaran strain gauge bisa dibaca secara digital.
Gambar 7. Amplifier.
Sebelum poros diputar dengan tangan agar tranduser pemancar dan penerima bergerak maju, jarum penunjuk nilai pada amplifier harus diposisikan tepat pada angka nol. Caranya dengan memutar putaran penentu posisi jarum penunjuk nilai pada amplifier. Jika jarum penunjuk nilai sudah tepat pada angka nol, maka poros sudah siap untuk diputar agar tranduser pemancar dan penerima bergerak maju.
Jika untuk mengetahui nilai tegangan keluaran strain gauge hanya menggunakan amplifier, maka nilainya akan sulit dibaca. Oleh karena itu penggunaan multimeter sangat dibutuhkan pada tahapan ini. Dengan menggunakan multimeter, nilai tegangan keluaran strain gauge akan dapat dibaca secara digital. Jadi nilainya akan keluar langsung dalam bentuk angka desimal. Hanya dengan menghubungkan multimeter ke amplifier dan memposisikan multimeter pada satuan volt, nilai tegangan keluaran strain gauge sudah langsung dapat dilihat pada layar multimeter. Untuk selanjutnya nilai tegangan keluaran strain gauge ini akan dikonversi menjadi nilai gaya tekan melalui persamaan regresi yang telah didapat pada tahapan perakitan pengukur gaya tekan tranduser. Untuk mengetahui nilai gaya tekan tranduser optimum, maka dari setiap nilai gaya tekan tersebut bisa dilihat gaya tekan mana yang tidak menyebabkan manggis menjadi rusak. Dari semua nilai gaya tekan yang tidak menyebabkan manggis menjadi rusak tersebut, dipilih gaya tekan yang paling besar. Gaya tekan ini yang merupakan gaya tekan tranduser optimum.
Gambar 8. Multimeter.
3. Pengukuran Kecepatan Gelombang Ultrasonik pada Gaya Tekan Tranduser yang Berbeda
Penelitian ini juga mengamati perbedaan gelombang ultrasonik yang dihasilkan dari setiap gaya tekan tranduser yang diberikan pada manggis. Perbedaan gelombang ultrasonik itu dapat diketahui dengan mengetahui perbedaan kecepatan gelombang ultrasoniknya. Dikarenakan dalam penelitian ini digunakan 10 buah manggis sebagai sample, maka data kecepatan gelombang
ultrasonik yang dihasilkan sebanyak 100 buah data. Artinya ada 100 nilai kecepatan gelombang ultrasonik yang harus diperoleh. Setiap buah manggis akan ditekan 10 kali oleh tranduser dengan tegangan yang berbeda-beda dari 0.1 volt sampai yang tertinggi 1 volt. Dengan demikian setiap buah manggis akan menghasilkan 10 nilai kecepatan gelombang ultrasonik. Gambar 9 adalah gambar pada saat pengambilan data kecepatan ultrasonik.
Gambar 9. Pengambilan data kecepatan gelombang ultrasonik.
Gambar 10 adalah skema pengukuran gelombang ultrasonik. Pengambilan data pengukuran gelombang ultrasonik dilakukan ketika ujung tranduser pemancar dan penerima sudah menyentuh kulit buah manggis. Jika data untuk kecepatan gelombang ultrasonik sudah diambil, maka poros yang tepat berada di atas tranduser pada unit ultrasonik harus diputar berlawanan arah agar tranduser pemancar dan penerima bergerak mundur. Setelah itu bagian buah manggis yang tersentuh oleh kedua ujung traduser bisa dilihat, apakah rusak atau tidak.
Pengambilan data diawali dengan menempatkan manggis tepat di depan tranduser. Kemudian tranduser digerakkan maju sampai ujung-ujungnya menyentuh kulit luar manggis. Setelah itu gelombang ultrasonik pun dipancarkan dari tranduser pemancar ke manggis dan diterima oleh tranduser penerima. Dengan adanya digital oscilloscope dan ultrasonic tester yang dihubungkan ke tranduser dan ke komputer, maka tampilan gelombang ultrasonik akan dapat dilihat pada monitor komputer.
Tepat di belakang tranduser pemancar terdapat ring yang sudah tertempel strain gauge. Kabel strain gauge dihubungkan ke amplifier melalui jembatan wheatstone. Besarnya nilai tegangan dari strain gauge akan dapat dilihat pada amplifier. Akan tetapi dikarenakan nilai tegangan yang ditampilkan pada amplifier masih dalam bentuk analog, maka amplifier tersebut dihubungkan ke multimeter. Dengan demikian nilai tegangannya akan dapat dibaca secara digital.
.
.
Gambar 10. Skema pengukuran gelombang ultrasonik.
21 Jembatan wheatstone
( Bridge box ) Ring yang sudah
dipasang strain gauge Tranduser pemancar Tranduser penerima Manggis Multimeter Digital Oscilloscope Personal komputer Ultrasonic tester Amplifier
Vbuah = vbuah x c
Pada saat pemancaran gelombang ultrasonik ke buah manggis dilakukan, ujung dari tranduser pemancar dan tranduser penerima harus benar-benar menempel rapat pada buah manggis. Tidak boleh ada celah sedikit pun. Dengan demikian, gelombang ultrasonik akan dipancarkan ke buah manggis dan diterima oleh tranduser penerima secara keseluruhan. Jika ujung-ujung dari tranduser pemancar dan penerima tidak menempel rapat pada manggis, maka data yang dihasilkan akan kurang akurat.
Nilai kecepatan gelombang ultrasonik tidak bisa diperoleh secara langsung, melainkan diperoleh melalui penghitungan. Pada saat proses pengambilan data berlangsung, monitor komputer hanya memperlihatkan gelombang ultrasoniknya. Dari gelombang ultrasonik ini diperoleh beberapa nilai yang digunakan untuk mencari besarnya nilai kecepatan gelombang ultrasonik.
Kecepatan gelombang ultrasonik sebenarnya pada buah dapat dihitung dengan rumus :
... (1)
Dimana : Vbuah = kecepatan gelombang ultrasonik sebenarnya pada
buah (m/s)
vbuah = kecepatan gelombang ultrasonik hasil pengukuran pada
buah (m/s) c = konstanta
Nilai vbuah tidak bisa langsung didapatkan dari data pengamatan. Nilai vbuah
bisa didapatkan melalui perhitungan dengan menggunakan rumus di bawah ini :
... (2)
Dimana : vbuah = kecepatan gelombang ultrasonik hasil pengukuran pada
buah (m/s)
S = diameter buah atau jarak antara tranduser pemancar dengan tranduser penerima (m)
t = waktu tempuh gelombang ultrasonik (s)
t
S
v
buah=
Untuk mendapatkan nilai kecepatan gelombang ultrasonik sebnarnya pada buah, maka perlu ada kalibrasi pengukuran kecepatan gelombang ultrasonik menggunakan media udara dengan persamaan :
... (3)
Dimana : Vudara = kecepatan gelombang ultrasonik sebenarnya pada
udara (m/s) = 340 m/s
vudara = kecepatan gelombang ultrasonik hasil pengukuran pada
udara (m/s)
c = konstanta (dari hasil penelitian ini diperoleh nilai c = 1.1)
23 udara udara
v
V
c
=
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN