MENGGUNAKAN METODE TOTAL INTERNAL REFLECTION
Gerry Sasanti NirmalaSTEM “Akamigas”, Jl. Gajah Mada No. 38, Cepu E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Spesific gravity yang merupakan ukuran konsentrasi suatu fluida adalah salah satu acuan jenis-jenis
minyak bumi. Penentuan spesific gravity umumnya dilakukan di laboratorium dengan hidrometer.
Total Internal Reflection (TIR) merupakan prinsip panduan cahaya dalam serat optik dimana cahaya
akan memantul sempurna pada bidang dengan indeks bias dan sudut tertentu. Perubahan indeks bias antara udara akan dibandingkan dengan crude oil sehingga dapat dibedakan apakah crude oil termasuk minyak ringan atau berat. Sumber cahaya yang digunakan berupa laser dan sensor berupa prisma dari bahan aclyric yang tahan panas dan dapat memantulkan cahaya dengan baik. Pada penelitian ini akan dibuktikan bahwa metode TIR dapat digunakan sebagai metode untuk menentukan Spesific Gravity khususnya penentuan pada minyak ringan.
Kata kunci: spesific gravity, total internal reflection.
ABSTRACT
Specific gravity is one of oil properties commonly used as a reference in oil industry. Specific gravity is usually determined in a laboratory by means of a hydrometer. Total Internal Reflection (TIR) is a light guidance principle on fiber optic where the light will perfectly be reflected on a surface with spesific refractive index and on a specific angle. Changes in refractive index between air will be compared with the crude oil so that it can be differentiated whether the crude oil is light or heavy oils. Lasers is used as light source and aclyric prism as a sensor which is a good heat-resistant material and can reflect light very well. In this research it will be proved that the TIR method can be used as a method of the Specific Gravity determination.
Key words: spesific gravity, total internal reflection.
1. PENDAHULUAN
Specific gravity (SG) merupakan salah
satu sifat fluida yang menunjukkan rasio densitas suatu materi terhadap satu densitas yang dijadikan sebagai acuan, umumnya air yang dijadikan sebagai acuan bila fluida yang diukur berupa cairan dan udara bila flu-ida yang diukur berupa gas. Pengukuran-nya sendiri harus dilakukan pada tekanan dan temperatur yang sama antara sample dengan acuannya1).
Dalam dunia migas, specific gravity secara umum digunakan sebagai ukuran kon-sentrasi dari kandungan hidrocarbon yang
ada dalam suatu larutan. Umumnya pen-gukuran dilakukan dengan pycnometer atau
hydrometer. Pada penelitian ini, akan
digunakan satu metode lain untuk menen-tukan spesific gravity yaitu Total Internal
Reflection (TIR).
Total Internal Reflection adalah suatu
prinsip panduan cahaya dimana cahaya yang melewati suatu medium dengan indeks bias lebih besar dari indeks bias sebelumnya dan mempunyai sudut datang tertentu, akan ter-pantul sempurna2,3,4,5). Hal ini sesuai dengan Hukum Snellius yang menyatakan bahwa apabila cahaya datang pada bidang perte-muan dua medium yang berbeda, sebagian
cahaya akan di pantulkan kembali ke medi-um pertama, dan sisanya akan dibelokkan pada saat memasuki medium kedua, pem-belokan cahaya pada saat memasuki me-dium kedua ini dinamakan pembiasan ca-haya yang disebabkan oleh adanya per-bedaan indeks bias medium pertama dan medium kedua. Indeks bias adalah suatu be-saran yang menunjukkan kecepatan ram-bat cahaya pada saat melewati material ter-tentu dimana besarnya indeks bias adalah:
n = v c
...(1)
Sedangkan hukum Snellius digambarkan sebagai berikut :
Gambar 1. Persamaan Hukum Snellius tentang Arah Rambat Cahaya.
Ada 2 syarat utama dari total internal
re-flection yaitu:
1. indeks bias medium asal cahaya lebih besar dari medium kedua (n1 > n2). 2. sudut datang cahaya lebih besar dari
sudut kritisnya.
Sudut kritis (critical angle) diturunkan dari hukum Snellius dengan sudut bias 90o, sehingga didapat: sin Φc = 1 2 n n ...(2)
Prinsip panduan cahaya ini adalah prin-sip dari dikembangkannya sensor-sensor
fi-ber optik. Dalam optika, prisma adalah
komponen yang digunakan untuk membias-kan cahaya, memantulmembias-kan atau mendisper-sikannya dalam spektrum cahaya (misalnya
warna pada pelangi). Sifat prisma yang me-mantulkan dan membiaskan cahaya inilah yang diaplikasikan sebagai sensor pengukur
specific gravity.
Prinsip kerja alat ukur ini adalah ketika prisma tercelup dalam fluida maka akan ter-jadi perubahan indeks bias eksternal yaitu dari indeks bias udara ke indeks bias fluida. Perubahan ini tentu saja berpengaruh pada sifat pemantulan dan pembiasan cahaya yang jatuh pada pada prisma. Perubahan intensitas cahaya akibat pemantulan dan pembiasan medium yang berbeda inilah yang ditangkap
detector untuk kemudian dikonversikan
da-lam ukuran specific gravity. Sudut yang dipakai dalam eksperimen ini adalah sudut 45o-90o-45o dimana menurut penelitian yang dilakukan penulis pada Tugas Akhir, adalah sudut terbaik untuk terjadinya TIR6).
Eksperimen ini bertujuan untuk mem-buktikan apakah metode ini dapat digunakan untuk menghitung nilai SG dengan memban-dingkan data keluaran dengan data SG sebe-narnya dari masing-masing sample.
Eksperimen telah dilaksanakan di La-boratorium Fotonika pada bulan Agustus s/d September 2012 dengan menggunakan
sam-ple crude oil yang diperoleh dari 4 lokasi
sumur yang berbeda yaitu daerah Sukowati (Join Operation Body Pertamina-Petrochina Tuban), Kawengan (Pertamina EP Cepu), Mudi (Join Operation Body Pertamina – Petrochina Tuban) dan Raja (UBEB Adera).
Data lapangan yaitu berupa nilai SG dan derajat API dari laboratorium masing-masing lokasi adalah sebagai berikut :
Tabel 1. Data Lapangan Nilai SG dan Derajat API Sample Crude Oil. Data lapangan SG API Jenis Minyak
Raja (Adera1) 0,8757 30,08 Ringan
Kawengan 0,8652 32 Ringan
Mudi 0,8448 35 - 37 Ringan
Sukowati 0,8299 38 - 40 Ringan
Pada tabel 1 di atas telah diberikan data nilai SG dan derajat API beserta analisa jenis minyaknya. Tren nilai derajat API
menun-jukkan naik saat nilai SG menunmenun-jukkan penurunan, hal ini sesuai dengan persamaan :
...(3) Dari hasil laboratorium tersebut dapat disimpulkan bahwa jenis minyak adalah minyak ringan, hal ini sesuai dengan teori bahwa jenis minyak ringan berada pada
range derajat API di atas nilai 317). Nilai SG untuk lapangan Mudi dan Sukowati diberi tanda bintang, menunjukkan bahwa nilai tersebut didapatkan dari hasil perhitungan peneliti dengan derajat API 36 untuk lapangan Mudi dan 39 untuk lapangan Suko-wati. Hal ini dilakukan sebab pada kedua lapangan tersebut tidak dilakukan perhitung-an nilai SG di laboratorium. Data beberapa nilai SG ditampilkan dalam grafik sebagai berikut:
Gambar 2. Grafik SG dari Sample.
Pada grafik di atas tampak bahwa ada penurunan nilai SG dari sample dengan pro-sentase penurunan berturut-turut 1,20 %; 3,09%; 5,97% (penurunan SG dihitung dari
sample Raja). Bila ditarik persamaan garis
keempat sample tersebut akan didapatkan persamaan garis :
y = 0,0158x + 0,8145...(4) Prosentase penurunan SG dan persa-maan garis inilah yang akan digunakan seba-gai dasar pembanding tegangan keluaran
sample. Menurut persamaan tersebut maka
semestinya akan terjadi penurunan tegangan keluaran dari sumber cahaya yang masuk dalam rangkaian.
2. METODE
A. Perancangan Eksperimen
Setelah melakukan serangkaian studi literatur yang terkait dengan konsep SG, API
Gravity dan metode TIR, maka dilakukan
perancangan alat ukur. Metode TIR dalam penelitian ini menggunakan sensor prisma sebagai pemantul cahaya. Metode ini me-manfaatkan perubahan intensitas cahaya ke-luaran prisma yang diakibatkan oleh peru-bahan indeks bias larutan di dalam tempat la-rutan. Konstruksi metode ini dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Eksperimen Penelitian.
Pada gambar di atas tampak bahwa ada 8 buah peralatan yang dipakai. Peralatan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah sesuai gambar 3 :
1. Sumber cahaya
Sumber cahaya yang digunakan adalah Laser Helium-Neon dengan kode OSK D-4001, OSK 5580.
2. Beam Expander
Beam expander digunakan untuk
mem-perlebar berkas cahaya yang datang sehingga dapat mencakup seluruh bidang penerima prisma.
3. Cermin
Cermin digunakan sebagai pemantul ca-haya dari Laser agar masuk tegak lurus ke dalam prisma.
4. Prisma
Prisma yang digunakan dalam penelitian ini dipilih dari bahan aklirik dengan indeks bias 1,49 dan ketebalan 10mm. Sudut prisma yang digunakan adalah 45o-90o-45o agar ter-jadi pemantulan dalam sempurna saat
ling-kungan dibawahnya berupa udara. Bidang di depan sudut 90o nantinya akan digunakan sebagai bidang pertama dan bidang keempat dengan membagi panjang menjadi 2 sama besar.
Pemilihan aklirik sebagai bahan dasar prisma dengan pertimbangan: transmisinya tinggi yaitu hingga 92%, absorbsi cahaya sebesar 0,5% per 25mm tebal lembaran, tahan panas, tahan asam dengan konsentrasi tertentu, tahan alkali dan gas8).
Tabel 2. Transmitansi Cahaya dari Berbagai Bahan.
Materi Cahaya yang
diteruskan (%)
Acryglas 93
Polystyrene 90
Hard polyvinyl chloride 80 – 88
Glass 90
Tabel 3. Daya Refleksi dari macam-macam Bahan Transparan. Materi Daya Refleksi (i = 0o)
Acryglas 3,8 % Kaca 4,2 % Air 2 % Berlian 17,2 % Udara - 5. Bahan
Pada penelitian ini bahan yang digu-nakan sebagai larutan yang diukur adalah
crude oil dari beberapa sumur minyak.
6. Lensa Pemfokus
Lensa pemfokus berfungsi untuk mem-fokuskan berkas laser supaya dapat masuk ke dalam photodetektor. Sinar-sinar yang da-tang sejajar dengan sumbu lensa. Cahaya yang datang terdiri atas banyak sinar. Semua sinar terkumpul pada titik dibawah yang dinamakan sebagai titik fokus. Pada perco-baan ini digunakan lensa cembung berfokus 5mm. Pemilihan jarak fokus ini
dimaksud-kan agar photodetektor dapat ditempatdimaksud-kan dekat dengan lensa.
7. Photodetektor
Photodetetektor yang digunakan adalah photodioda yang merupakan salah satu tipe dari photodetektor yang mempunyai sen-sitifitas tinggi, rentang panjang gelombang yang lebar, dan sirkuit penerima yang se-derhana, dimana detektor cahaya tersusun dari photodioda yang dibias balik. Photo-diode terdiri dari sambungan p-n yang di-rancang untuk menjadi responsif terhadap masukan optis. Photodioda dilengkapi de-ngan suatu jendela maupun koneksi serat optik, untuk memandu masuk cahaya kepada bagian sensitif dari alat.
Gambar 4. Rangkaian Sirkuit Penerima Detektor Cahaya.
8. Tempat Larutan
Tempat larutan yang digunakan berupa kotak transparan berbahan dasar plastik. Selain peralatan di atas digunakan pula Meja Eksperimen yang terbuat dari baja dan anti terhadap getaran lingkungan sekitarnya. Hal ini berfungsi agar setting eksperimen tidak mengalami perubahan, sehingga data hasil pengukuran memiliki keakuratan yang ting-gi. Meja yang dipakai adalah produk New-port Stabilizer™ “High Performance
Lami-nar Flow Isolator” I-2000 Series. Selain
meja eksperimen dipakai pula multimeter digital. Eksperimen ini dilaksanakan di La-boratorium Fotonik Jurusan Teknik Fisika ITS Surabaya.
B. Pengambilan Data
Langkah pertama adalah menguji kete-patan arah cahaya yang masuk ke prisma, yang terpantul dari prisma dan yang masuk ke dalam photodetektor. Setting peralatan harus diatur sedemikian rupa agar cahaya dapat sampai di photodetektor. Setelah
set-+ - R=100kΩ photon i 9V +
ting peralatan tepat, diambil data pertama yaitu cahaya laser melalui rangkaian tanpa ada sample dalam wadah. Gunanya adalah untuk mengetahui tegangan keluaran bila terjadi pemantulan dalam sempurna.
Langkah kedua dilakukan dengan me-nuangkan crude oil ke dalam wadah hingga prisma tercelup, menyalakan laser dan meli-hat tegangan keluaran yang ditangkap photo-detektor. Percobaan dilakukan beberapa kali dengan sample crude oil berbeda-beda.
C. Analisa Data
Tegangan keluaran prisma dari masing-masing sample akan dibandingkan untuk membuat range specific gravity untuk minyak ringan.
3. PEMBAHASAN
Sebelum melakukan pengukuran lebih dulu diambil daya keluaran laser yang tertangkap photodetektor. Daya keluaran di-konversikan dalam satuan tegangan pada multimeter dan didapatkan nilai sebesar 10 mVolt tanpa melalui rangkaian dan sebesar 9,7 mVolt setelah melalui rangkaian eks-perimen. Perbedaan nilai keluaran ini di-mungkinkan karena adanya penurunan daya setelah melalui rangkaian, bisa juga disebab-kan kurang sempurnanya rangkaian. Berikut adalah data eksperimen dengan beberapa
sample. Data tiap sample diambil dengan
prisma dan photodetektor yang berbeda na-mun dari jenis yang sama untuk meng-hin-dari adanya pencampuran beberapa sample.
Tabel 4. Data Eksperimen Sample.
Raja
(Adera) Kawengan Mudi Sukowati
Laser He Ne
10
9,7
5,67
3,55
5,21
4,36
5,59
3,57
5,15
4,3
5,58
3,57
5,14
4,25
Hidrometer
0,8757
0,8652 0,8448 0,8299
Jenis
pengukuran
V in
Laser
(mVolt)
V out
Laser
(mVolt)
V out Sample (mVolt)
Setelah melakukan beberapa kali per-cobaan, didapatkan nilai tegangan keluaran yang nilainya kurang lebih sama untuk ma-sing-masing sample sehingga dimasukkan tiga data sebagai bahan analisa. Tegangan keluaran pada tabel di atas menghasilkan grafik sebagai berikut:
Gambar 5. Grafik Tegangan Keluaran Pertama masing-masing Sample.
Gambar 6. Grafik Tegangan Keluaran Kedua masing-masing Sample.
Gambar 7. Grafik Tegangan Keluaran Ketiga masing-masing Sample.
Pada gambar tampak bahwa terjadi pe-nurunan tegangan keluaran yang mana hal ini sesuai dengan hipotesa awal, berikut tabel prosentase penurunan tegangan keluaran
Tabel 5. Perbandingan Prosentase Penurunan SG dengan Prosentase Penurunan Tegangan Keluaran pada
Photodetektor.
Raja (Adera) Kawengan Mudi Sukowati
5,67 3,55 5,21 4,36
5,59 3,57 5,15 4,3
5,58 3,57 5,14 4,25
0,8757 0,8652 0,8448 0,8299
1,20% 3,09% 5,97% prosentase penurunan tegangan data1 37,39% 8,11% 23,10% prosentase penurunan tegangan data2 36,14% 7,87% 23,08% prosentase penurunan tegangan data3 36,02% 7,88% 23,84%
Laser He Ne
Hidrometer
prosentase penurunan SG
V out Sample (mVolt) Jenis pengukuran
Dari tabel di atas, tampak bahwa pro-sentase penurunan tegangan dari Kawengan menunjukkan penurunan yang sangat besar yaitu rata-rata sebesar 36,52 %. Nilai sensi-tivitas dari pengukuran juga sangat kecil sehingga diasumsikan terdapat error yang sangat besar pada sample tersebut. Terjadi-nya error tersebut bisa disebabkan oleh ada-nya cacat saat pembuatan prisma, pemotong-an ypemotong-ang kurpemotong-ang sempurna atau kemungkinpemotong-an prisma dibuat dari lempeng aclyric yang ber-beda dengan yang lain.
Berkurangnya daya baterai dari photo detektor akibat pemakaian yang lama juga memungkinkan adanya error ini. Maka dengan mengabaikan data sample dari Ka-wengan, akan didapatkan grafik sebagai beri-kut:
Gambar 8. Tegangan Keluaran tanpa
Sample Kawengan 1.
Gambar 9. Tegangan Keluaran tanpa
Sample Kawengan 2.
Gambar 10. Tegangan Keluaran tanpa
Sample Kawengan 3.
Dari 3 gambar di atas, tampak bahwa sensitivitas pengukuran naik dari data sebe-lumnya. Sensitivitas pengukuran pertama sebesar 97,17%, yang kedua sebesar 96,74%, yang ketiga sebesar 96,32%. Penurunan nilai sensitivitas disebabkan berkurangnya daya baterai dari photodetektor akibat pemakaian yang lama. Nilai SG terhadap rata-rata te-gangan keluaran untuk masing-masing
sam-ple adalah sebagai berikut:
Gambar 11. Grafik SG terhadap Tegangan Keluaran rata-rata
Dari gambar 11 di atas, dapat dihasilkan korelasi antara nilai SG dengan rata-rata tegangan keluaran yaitu:
y = 0,0229x + 0,8043 ...(5) Dengan y menggambarkan nilai SG dan x adalah tegangan keluaran dari alat ukur. Namun tetap terdapat error pada eksperimen yaitu sebesar 6,13% untuk sample Raja, 8,43% untuk sample Mudi dan 8,07% untuk
sample dari Sukowati.
4. SIMPULAN
Metode Total Internal Reflection dengan sensor berupa prisma dapat digunakan seba-gai metode untuk menghitung nilai SG deng-an korelasi SG = 0,0229 (V out) + 0,8043. Percobaan menggunakan sample minyak berjenis ringan dari beberapa lokasi dan di-dapatkan tegangan keluaran 4,25 mV sampai 5,67 mV untuk tegangan masukan sebesar 10 mV. Terdapat error yang besar pada salah satu sample percobaan yaitu crude oil dari Kawengan yang dimungkinkan terjadi akibat cacat pada sensor atau photodetektor sehing-ga sample dari lokasi ini tidak bisa dijadikan sebagai acuan dalam perhitungan dan tidak digunakan. Error yang terjadi dalam ekspe-rimen ini yaitu berkisar dari 6,13% - 8,43%.
Eksperimen lebih lanjut dilakukannya pengujian dengan data kontinyu atau harian sehingga bisa benar-benar dibandingkan te-gangan keluaran dari eksperimen ini dengan data SG harian yang diambil melalui hidro-meter di laboratorium. Selain itu hasil ekspe-rimen akan lebih bervariasi bila digunakan
sample yang lebih beragam jenis crude oil
nya, yaitu dari jenis minyak ringan, minyak menengah dan minyak berat.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. Robert L Mott. Applied Fluid Mech-anics. 5th edition. New Jersey: Prentice Hall. 2000.
2. Eugene Hecht, Alfred Zajac. Optics. Ad-dison-Wesley Publishing Company. 1979
3. John P. Bentley. Principles of Measu-rement Systems. 3rd edition. Longman Singapore Publisher (Pte) Ltd. Singa-pore. 1995.
4. Francis T.S. Yu, Iam-Choon Khoo. Prin-ciples Of Optical Engineering. John Wi-ley & Sons.
5. Gerd Keyser. Optical Fiber Communi-cations. 2nd edition. McGraw-Hill ,Inc. 6. Gerry Sasanti Nirmala. Perancangan Alat
Ukur Ketinggian Level Fluida Menggu-nakan Metode Total Internal Reflection [Tugas Akhir]. Surabaya: Institut Tekno-logi Sepuluh Nopember. 2005
7. Boyun Guo, William C Lyons, Ali Gha-lambor. Petroleum Production Enginee-ring. Oxford : Elsevier.2007.
8. Autochem Industry. PT. CAST ACRY-GLASS SHEET. Data teknis mengenai A-cryglass. Jakarta.
