Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada Frekuensi Radio dari Andaliman: (Determination of Thermal Diffusivity and Dielectric Properties in Radio Frequency of Andaliman [Zanthoxylum acanthopodium DC])
Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
(Determination of Thermal Diffusivity and Dielectric Properties in
Radio Frequency of Andaliman [Zanthoxylum acanthopodium DC])
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan
Abstract
Determination of dielectric properties in radio frequency and thermal diffusivity of andaliman were
conducted. Dielectric properties was measured by developed Q-meter at frequency of 9, 11, 13, 15, 17, 19,
and 21 MHz for moisture content of 8,52%; 9,93%; 14,27% and 16,17%. Thermal diffusivity was
measured using Dickerson’s method for those moisture content. Dielectric constant and dielectric loss
depend on frequency and moisture content. Dielectric constant and dielectric loss tend to decrease for
higher frequency. Conversely the dielectric constant and loss tend to increase with moisture content.
While thermal diffusivity of andaliman tend increases with moisture content.
Key words: dielectric properties, thermal diffusivity, radio frequency, andaliman
Abstrak
Pengukuran sifat dielektrik pada frekuensi radio dan difusivitas termal dari andaliman
telah dilakukan. Sifat dielektrik diukur dengan metode Q-meter pada frekuensi 9, 11, 13, 15, 17,
19, dan 21 MHz pada kandungan air bahan 8,52%; 9,93%; 14,27%, dan 16,17%. Difusivitas
termal diukur dengan metode Dickerson untuk kandungan air bahan tersebut.
Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik bergantung pada frekuensi dan
kandungan air. Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik cenderung menurun pada
frekuensi yang lebih tinggi. Sebaliknya cenderung meningkat pada kandungan air yang lebih
tinggi. Sementara difusivitas termal andaliman cenderung meningkat pada kandungan air yang
lebih tinggi.
Kata kunci: sifat dielektrik, difusivitas termal, frekuensi radio, andaliman
Pendahuluan
Latar Belakang
Berdasarkan
hasil-hasil
eksperimen
penggunaan gelombang elektromagnetik
yang
dikombinasikan
dengan
cara
konvensional memberikan hasil pemanasan
yang lebih cepat dan distribusi temperatur
yang lebih seragam dalam bahan (Tulasidas
et al. 1997, Monzo-Cabrera et al. 2000, Sanga
et al. 2001).
Salah satu pemanfaatan gelombang
elektromagnetik untuk pemanasan adalah
pada frekuensi radio (RF). Pemanfaatan
55
gelombang elektromagnetik pada frekuensi
radio didasarkan pada kelebihan penetrasi
gelombang yang lebih dalam dan panas yang
dihasilkan tidak terlalu tinggi dibandingkan
pada microwave. Untuk dapat menganalisis
proses pemanasan pada kisaran gelombang
radio, perlu diketahui sifat dielektrik bahan
pada kisaran gelombang radio, yaitu sifat
menyimpan
energi
listrik
(konstanta
dielektrik,
ε’ )
menghamburkan
dan
energi
sifat
listrik
yang
(faktor
kehilangan dielektrik ε’).
Pada penerapan panas konvensional,
difusivitas termal bahan adalah sifat fisik
bahan
yang
menentukan
kecepatan
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
distribusi panas dalam bahan. Difusivitas
termal adalah sifat yang secara natural
mendistribusikan panas keseluruh bagian
produk (Holman, 1994). Semakin besar nilai
difusivitas termal bahan semakin cepat
terjadi pembauran panas dalam bahan dan
sebaliknya. Sifat difusivitas termal bahan
digunakan untuk menganalisis konduksi
panas yang terjadi dalam bahan. Sifat
difusivitas termal dipengaruhi oleh kadar air
bahan, komposisi kimia bahan dan struktur
bahan.
Metodologi Penelitian
Bahan Penelitian
Bahan adalah andaliman yang terdiri
dari empat tingkat kadar air. Untuk
mendapatkan kondisi kadar air bahan yang
berbeda
dilakukan pengeringan dengan
dioven.
Peralatan Penelitian
1.
Alat ukur difusivitas termal
Peralatan pengukur difusivitas termal
yang dirancang berdasarkan metode
Dickerson (menggunakan pendekatan
model silinder tak hingga).
2.
Alat Ukur Sifat Dielektrik
Peralatan pengukur sifat dielektrik
adalah
hasil
pengembangan
dari
rancangan
Harmen
(2001)
yaitu
dirancang berdasarkan metode Q-Meter.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk
mengukur sifat dielektrik (konstanta dan
kehilangan
dielektrik)
pada
kisaran
frekuensi radio dan difusivitas termal dari
andaliman pada beberapa tingkat kadar air
bahan.
A la t
P e r e ka m
P engaduk
P em anas
T e r m o ko p e l
S ilin d e r
Bak
Gambar 1. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Difusivitas Termal
W adah
C ontoh
AC VOLTMETER
L
CV
P encacah
F rekw ens
R
K apasitansi
M eter
O SIL A TO R
Gambar 2. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Dielektrik
56
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Tahapan Penelitian
Pengukuran Sifat Dielektrik
Pengukuran
sifat
dielektrik
andaliman dilakukan pada 4 tingkat kadar
air dan pada frekuensi kisaran radio 9, 13, 15,
17, 19, dan 21 MHz dengan 4 ulangan.
Prosedur
pengukuran
dalam
mengunakan alat pengukur adalah pertamatama mengatur keluaran frekuensi dari
osilator sebesar frekuensi yang diinginkan,
dengan
mengukur
keluaran
osilator
menggunakan pencacah frekuensi. Keluaran
dari osilator menjadi sumber arus bagi
rangkaian LRC. Dengan memanfaatkan
voltmeter, posisi dari variabel kapasitor yang
terdapat dalam rangkaian LRC diatur
sedemikian
rupa
hingga
didapatkan
pembacaan tegangan maksimum pada
voltmeter. Tegangan yang diperoleh dicatat
sebagai Q1 (tegangan tanpa bahan).
Kemudian dengan menggunakan kapasitansi
meter,
besarnya
kapasitansi
variabel
kapasitor pada posisi tersebut, diukur dan
dicatat sebagai C1 (kapasitansi tanpa bahan).
Pada saat mengukur kapasitansi variabel
kapasitor, hubungan arus ke rangkaian LRC
diputus.
Selanjutnya
wadah
contoh
disambungkan secara paralel dengan
variabel kapasitor. Tegangan maksimum
yang ada sebelumnya, akan berubah
(menurun). Besarnya tegangan yang terjadi
setelah diparalelkan dengan bahan, dicatat
sebagai Q2 (tegangan setelah ada bahan).
Posisi variabel kapasitor diatur kembali
untuk mendapatkan tegangan maksimum
yang dapat terbaca oleh voltmeter. Setelah
didapatkan tegangan maksimum, wadah
contoh dilepaskan hubungannya dari
variabel kapasitor dan arus ke rangkaian
LRC diputus. Pada posisi tersebut,
kapasitansi variabel kapasitor diukur dan
dicatat sebagai C2 (kapasitansi ada bahan).
Selanjutnya dilakukan perhitungan, dengan
langkah-langkah berikut:
⎛ QQ
Q x = ⎜⎜ 1 2
⎝ Q1 − Q2
1.
Tetapan dielektrik (ε’) :
ε'=
57
Cd d
Aε 0
………………….……….(1)
Mendapatkan Qx :
⎞ ⎛ C1 − C 2
⎟⎟ ⎜⎜
⎠ ⎝ C1
⎞
⎟⎟ ….……(2)
⎠
Kehilangan dielektrik (ε”):
ε"=
ε'
Qx
…………………………….(3)
2.
Pengukuran Koefisien Difusivitas Termal
Pengukuran
difusivitas
termal
dilakukan pada 4 tingkat kadar air dengan 2
ulangan. Prosedur pengukuran adalah
memasukan
andaliman
yang
sudah
diketahui kadar airnya, kedalam silinder alat
ukur. Bahan yang masuk ke dalam benarbenar padat. Kepadatan bahan untuk tiap
ulangan pengamatan harus sama. Silinder
yang sudah berisi bahan ditutup rapat-rapat
dan kemudian dimasukkan kedalam bak
pemanas yang sudah berisi air. Selanjutnya
pengaduk, heater dan perekam dinyalakan.
Perekam akan mencatat perubahan suhu
bahan (pada permukaan dinding dan pusat
dalam silinder) dan air pemanas. Proses
pemanasan
pada
awalnya
akan
menghasilkan kurva pemanasan yang
mempunyai gradien suhu (
stabil.
Setelah
beberapa
∂T
) yang tidak
∂r
lama,
pemanasan akan menghasilkan
proses
∂T
yang
∂r
stabil. Proses pemanasan dihentikan setelah
kurva pemanasan menunjukkan gradien
suhu stabil, karena proses perhitungan
difusivitas termal bahan sudah dapat
dilakukan. Gradien suhu yang stabil inilah
yang dimanfaatkan untuk menghitung
besarnya nilai difusivitas termal bahan
dengan menggunakan persamaan 4.
A R2
α=
4 (Ts − Tc )
………………….(4)
Hasil dan Pembahasan
Sifat Dielektrik Andaliman
Pengukuran sifat dielektrik telah
dilakukan pada empat tingkat kadar air
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 1. Rata-Rata Konstanta dan Kehilangan Dielektrik Andaliman pada Empat Tingkat Kadar
Air dan Tujuh Tingkat Frekuensi Catu Daya
Konstanta Dielektrik (ε’)
k. Air (%)
Frekuensi (MHz)
9
5.439675
6.715648
6.245553
6.849961
7.06
8.54
9.69
20.92
11
5.862761
5.130755
6.305994
7.373782
13
4.553209
4.794973
5.459822
5.882908
15
4.61365
4.512916
4.936001
6.104524
17
4.452475
4.553209
4.835267
5.600851
19
4.150271
4.049536
4.492769
5.399381
21
4.251005
4.170418
4.512916
5.218059
0.104446
0.099443
0.121548
0.11608
0.068169
0.064688
0.084842
0.07075
0.042147
0.032414
0.06199
0.033873
Kehilangan Dielektrik (ε”)
7.06
8.54
9.69
20.92
0.170894
0.183276
0.179495
0.238894
0.133095
0.131594
0.170672
0.160432
0.09314
0.09747
0.096589
0.123655
0.103113
0.10548
0.115669
0.135398
7 .5
K
K
K
K
Konsta nta Die le ktrik
7
6 .5
a
a
a
a
7
8
9
2
.0 6
.5 4
.6 9
0 .9 2
6
5 .5
5
4 .5
4
3 .5
8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
1 6
1 7
1 8
1 9
2 0
2 1
2 2
F r e k u e n si (M H z )
Gambar 3. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman
0 .2 5
K
K
K
K
Ke h ilang an Die le k tr ik
0 .2
a
a
a
a
7
8
9
2
.0 6
.5 4
.6 9
0 .9 2
0 .1 5
0 .1
0 .0 5
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Fr e k u e n s i (M Hz )
Gambar 4. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Kehilangan Dielektrik Andaliman
7,06%; 8,54%; 9,69% dan 20,92%, dan pada
tujuh tingkat frekuensi catu daya: 9 MHz, 11
MHz, 13 MHz, 15 MHz, 17 MHz, 19 MHz, dan
21 MHz dengan 4 ulangan. Rata-rata nilai
konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik
hasil perhitungan disajikan dalam Tabel 1.
Pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa
nilai konstanta dielektrik andaliman berubah
58
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Berdasarkan Gambar 5, pada frekuensi
catu daya 11 MHz, 15 MHz, 19 MHz, dan 21
MHz, nilai konstanta dielektriknya menurun
ketika kadar air andaliman meningkat dari
7,06% ke 8,54%. Sebaliknya untuk frekuensi 9
MHz, 13 MHz, dan 17 MHz. Pada kadar air
dari 8,54%
ke
20,92%, untuk semua
frekuensi (kecuali frekuensi 9 MHz), nilai
konstanta dielektrik meningkat sejalan
dengan peningkatan kadar air andaliman.
Secara
keseluruhan
berdasarkan
bentuk grafik yang dihasilkan, dapat
dikatakan bahwa nilai konstanta dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi. Terutama pada selang
kadar air 8,54% hingga 20,92%.
Berdasarkan bentuk-bentuk grafik
pada Gambar 6 yang dihasilkan untuk tiap
frekuensi catu daya, terlihat polanya tidak
sama. Peningkatan kadar air andaliman
untuk frekuensi tertentu mengakibatkan
peningkatan nilai kehilangan dielektrik dan
sebaliknya. Misalnya pada frekuensi 9 MHz,
13 MHz dan 15 MHz, di mana nilai
kehilangan dielektriknya meningkat pada
kadar air yang lebih tinggi dan sebaliknya
untuk frekuensi pengukuran lainnya.
Pola perubahan nilai kehilangan
dielektrik andaliman untuk tiap frekuensi
catu daya berbeda-beda. Tetapi secara
keseluruhan nilai kehilangan dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi.
dengan berubahnya frekuensi catu daya
yang diterapkan. Misalnya untuk andaliman
dengan kadar air 20,92%; 9,69%; dan 7,06%,
nilai konstanta dielektriknya pada frekuensi
9 MHz adalah 6,84; 6,24 dan 5,43 berturutturut. Pada frekuensi 11 MHz nilainya
meningkat menjadi 7,37; 6,30; dan 5,86
berturut-turut.
Pola-pola nilai konstanta dielektrik
andaliman terhadap perubahan frekuensi
catu daya berbeda-beda. Tetapi dengan
bentuk grafik yang dihasilkan, terdapat
kecenderungan bahwa nilai konstanta
dielektrik
andaliman
menurun
pada
frekuensi catu daya yang lebih tinggi untuk
semua tingkatan kadar air dari andaliman.
Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa
pada frekuensi catu daya yang lebih tinggi
nilai kehilangan dielektrik andaliman dapat
meningkat dan sebaliknya. Misalnya ketika
frekuensi catu daya meningkat dari 13 MHz
ke 15 MHz, nilai kehilangan dielektriknya
meningkat untuk semua tingkat kadar air.
Pada frekuensi 17 MHz, nilai kehilangan
dielektriknya menurun untuk andaliman
dengan kadar air 7,06% dan 9,69%.
Pola-pola perubahan (bentuk grafik
yang dihasilkan) nilai kehilangan dielektrik
andaliman terhadap peningkatan frekuensi
catu daya berbeda-beda untuk tiap tingkat
kadar air. Tetapi secara keseluruhan nilai
kehilangan dielektrik andaliman cenderung
menurun pada frekuensi yang lebih tinggi.
7 .5
7
Kons tanta D ielektrik
Fre k. 9
6 .5
Fre k. 1 1
6
Fre k. 1 3
Fre k. 1 5
5 .5
Fre k. 1 7
5
Fre k. 1 9
Fre k. 2 1
4 .5
4
3 .5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
K a d a r A ir (% b k )
Gambar 5. Pengaruh Kadar Air Terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman
59
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 2. Nilai Difusivitas Termal Andaliman Empat Tingkat Kadar Air
Ulangan
Difusivitas termal (m2/detik)
1
2
Rata-Rata
Ka=20,92%(bk)
Ka=9,69%(bk)
Ka=8,54%(bk)
Ka=7,06%(bk)
2,8E-07
2,58898E-07
2,69449E-07
3,19667E-07
2,96333E-07
3,08E-07
2,82262E-07
2,8226E-07
2,7122E-07
2,49444E-07
2,60332E-07
3.6e-7
3.4e-7
3.2e-7
3.0e-7
2.8e-7
2.6e-7
Difusivitas termal (m^2/detik)
2.4e-7
2.2e-7
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Kadar air (% bk)
Gambar 7. Hubungan antara Kadar Air dengan Difusivitas Termal Andaliman
Difusivitas Termal Andaliman
Pengukuran dilakukan dengan dua
ulangan pada kadar air 20,92; 9,69; 8,54; dan
7,06% (bk). Dari grafik hubungan waktu
dengan suhu, kemudian dihitung kecepatan
peningkatan suhu bahan (A) dan perbedaan
suhu permukaan dengan pusat bahan (Ts–
Tc). Hasil-hasil perhitungan difusivitas
termal andaliman untuk tiap tingkat kadar
air disajikan dalam Tabel 2.
Berdasarkan Gambar 7, terlihat pada
kadar air 7,06% (bk) hingga 9,69% (bk) nilai
difusivitas termal andaliman meningkat
pada kadar air yang lebih tinggi. Selanjutnya
pada kadar air 20,92%, nilai difusivitas
termal andaliman menurun hingga lebih
kecil dari nilai difusivitas termal pada kadar
air 8,54%. Hal ini menunjukkan andaliman
dengan kadar air pada tingkat tertentu tidak
mempunyai hubungan positif dengan nilai
difusivitas termalnya.
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian ini dapat
diambil kesimpulan bahwa nilai konstanta
dan kehilangan
dielektrik andaliman
cenderung
menurun
pada
frekuensi
pengukuran yang lebih tinggi. Sebaliknya
nilai konstanta dan kehilangan dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi. Sementara nilai
difusivitas termal andaliman cenderung
meningkat pada kadar air yang lebih tinggi.
Daftar Pustaka
Cabrera, Juan Monzo, Murcillo, A.D., Civera,
J. M. C. and Reyes, E. de los. 2000.
Heat
and
Massa
Transfer
Caracteristics of Microwaves Drying
of Leather. ADC 2000.
Harmen. 2001. Rancang bangun Alat dan
Pengukuran Nilai Sifat Dielektrik
Bahan Pertanian Pada Kisaran
Frekuensi Radio. Bogor. Tesis.
Jurusan Keteknikan Pertanian Pasca
Sarjana IPB Bogor.
Holman, J. P. 1986. Heat Transfer. New York.
Mc Graw Hill.
60
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Moshenin, Nuri. 1980. Thermal Properties of
Food and Agricultural Materials.
New York. Gordon and Breach
Publishers.
Prasad, Suresh. 1993. Physical and Thermal
properties of gorgon nut. Journal of
food process. Engineering Vol. 16.
p.237-245
Moshenin, Nuri. 1984. Electromagnetic
Radiation Properties of Food and
Agricultural Product. New York.
Gordon and Breach Publishers.
Rao, M. A. and Rizvi S. S. H.. 1995.
Engineering Properties of Foods.
New York. Mercel Decker.
Paulus, Gunawan Suharto. 1989. Pengukuran
Nilai Difusivitas Panas Bubur dan
Tepung Cabe Merah dari Hasil
Pengeringan Alami dan Buatan.
Bogor. Skripsi. Jurusan Keteknikan
Pertanian IPB Bogor.
61
Sanga, E., A. S. Mujumdar and G. S. V.
Raghavan. 2001. Experimental and
Numerical Analysis of Intermitent
Microwave Convection Drying. ADC
(Editet by Daud et al).
Tulasidas, T. N., Ratti, C., and Raghavan, G.
S. V. 1997. Modelling of microwave
drying of grapes. Journal od
Canadian Agricultural Engineering.
Vol. 39. No. 1.
Frekuensi Radio dari Andaliman
(Determination of Thermal Diffusivity and Dielectric Properties in
Radio Frequency of Andaliman [Zanthoxylum acanthopodium DC])
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan
Abstract
Determination of dielectric properties in radio frequency and thermal diffusivity of andaliman were
conducted. Dielectric properties was measured by developed Q-meter at frequency of 9, 11, 13, 15, 17, 19,
and 21 MHz for moisture content of 8,52%; 9,93%; 14,27% and 16,17%. Thermal diffusivity was
measured using Dickerson’s method for those moisture content. Dielectric constant and dielectric loss
depend on frequency and moisture content. Dielectric constant and dielectric loss tend to decrease for
higher frequency. Conversely the dielectric constant and loss tend to increase with moisture content.
While thermal diffusivity of andaliman tend increases with moisture content.
Key words: dielectric properties, thermal diffusivity, radio frequency, andaliman
Abstrak
Pengukuran sifat dielektrik pada frekuensi radio dan difusivitas termal dari andaliman
telah dilakukan. Sifat dielektrik diukur dengan metode Q-meter pada frekuensi 9, 11, 13, 15, 17,
19, dan 21 MHz pada kandungan air bahan 8,52%; 9,93%; 14,27%, dan 16,17%. Difusivitas
termal diukur dengan metode Dickerson untuk kandungan air bahan tersebut.
Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik bergantung pada frekuensi dan
kandungan air. Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik cenderung menurun pada
frekuensi yang lebih tinggi. Sebaliknya cenderung meningkat pada kandungan air yang lebih
tinggi. Sementara difusivitas termal andaliman cenderung meningkat pada kandungan air yang
lebih tinggi.
Kata kunci: sifat dielektrik, difusivitas termal, frekuensi radio, andaliman
Pendahuluan
Latar Belakang
Berdasarkan
hasil-hasil
eksperimen
penggunaan gelombang elektromagnetik
yang
dikombinasikan
dengan
cara
konvensional memberikan hasil pemanasan
yang lebih cepat dan distribusi temperatur
yang lebih seragam dalam bahan (Tulasidas
et al. 1997, Monzo-Cabrera et al. 2000, Sanga
et al. 2001).
Salah satu pemanfaatan gelombang
elektromagnetik untuk pemanasan adalah
pada frekuensi radio (RF). Pemanfaatan
55
gelombang elektromagnetik pada frekuensi
radio didasarkan pada kelebihan penetrasi
gelombang yang lebih dalam dan panas yang
dihasilkan tidak terlalu tinggi dibandingkan
pada microwave. Untuk dapat menganalisis
proses pemanasan pada kisaran gelombang
radio, perlu diketahui sifat dielektrik bahan
pada kisaran gelombang radio, yaitu sifat
menyimpan
energi
listrik
(konstanta
dielektrik,
ε’ )
menghamburkan
dan
energi
sifat
listrik
yang
(faktor
kehilangan dielektrik ε’).
Pada penerapan panas konvensional,
difusivitas termal bahan adalah sifat fisik
bahan
yang
menentukan
kecepatan
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
distribusi panas dalam bahan. Difusivitas
termal adalah sifat yang secara natural
mendistribusikan panas keseluruh bagian
produk (Holman, 1994). Semakin besar nilai
difusivitas termal bahan semakin cepat
terjadi pembauran panas dalam bahan dan
sebaliknya. Sifat difusivitas termal bahan
digunakan untuk menganalisis konduksi
panas yang terjadi dalam bahan. Sifat
difusivitas termal dipengaruhi oleh kadar air
bahan, komposisi kimia bahan dan struktur
bahan.
Metodologi Penelitian
Bahan Penelitian
Bahan adalah andaliman yang terdiri
dari empat tingkat kadar air. Untuk
mendapatkan kondisi kadar air bahan yang
berbeda
dilakukan pengeringan dengan
dioven.
Peralatan Penelitian
1.
Alat ukur difusivitas termal
Peralatan pengukur difusivitas termal
yang dirancang berdasarkan metode
Dickerson (menggunakan pendekatan
model silinder tak hingga).
2.
Alat Ukur Sifat Dielektrik
Peralatan pengukur sifat dielektrik
adalah
hasil
pengembangan
dari
rancangan
Harmen
(2001)
yaitu
dirancang berdasarkan metode Q-Meter.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk
mengukur sifat dielektrik (konstanta dan
kehilangan
dielektrik)
pada
kisaran
frekuensi radio dan difusivitas termal dari
andaliman pada beberapa tingkat kadar air
bahan.
A la t
P e r e ka m
P engaduk
P em anas
T e r m o ko p e l
S ilin d e r
Bak
Gambar 1. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Difusivitas Termal
W adah
C ontoh
AC VOLTMETER
L
CV
P encacah
F rekw ens
R
K apasitansi
M eter
O SIL A TO R
Gambar 2. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Dielektrik
56
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Tahapan Penelitian
Pengukuran Sifat Dielektrik
Pengukuran
sifat
dielektrik
andaliman dilakukan pada 4 tingkat kadar
air dan pada frekuensi kisaran radio 9, 13, 15,
17, 19, dan 21 MHz dengan 4 ulangan.
Prosedur
pengukuran
dalam
mengunakan alat pengukur adalah pertamatama mengatur keluaran frekuensi dari
osilator sebesar frekuensi yang diinginkan,
dengan
mengukur
keluaran
osilator
menggunakan pencacah frekuensi. Keluaran
dari osilator menjadi sumber arus bagi
rangkaian LRC. Dengan memanfaatkan
voltmeter, posisi dari variabel kapasitor yang
terdapat dalam rangkaian LRC diatur
sedemikian
rupa
hingga
didapatkan
pembacaan tegangan maksimum pada
voltmeter. Tegangan yang diperoleh dicatat
sebagai Q1 (tegangan tanpa bahan).
Kemudian dengan menggunakan kapasitansi
meter,
besarnya
kapasitansi
variabel
kapasitor pada posisi tersebut, diukur dan
dicatat sebagai C1 (kapasitansi tanpa bahan).
Pada saat mengukur kapasitansi variabel
kapasitor, hubungan arus ke rangkaian LRC
diputus.
Selanjutnya
wadah
contoh
disambungkan secara paralel dengan
variabel kapasitor. Tegangan maksimum
yang ada sebelumnya, akan berubah
(menurun). Besarnya tegangan yang terjadi
setelah diparalelkan dengan bahan, dicatat
sebagai Q2 (tegangan setelah ada bahan).
Posisi variabel kapasitor diatur kembali
untuk mendapatkan tegangan maksimum
yang dapat terbaca oleh voltmeter. Setelah
didapatkan tegangan maksimum, wadah
contoh dilepaskan hubungannya dari
variabel kapasitor dan arus ke rangkaian
LRC diputus. Pada posisi tersebut,
kapasitansi variabel kapasitor diukur dan
dicatat sebagai C2 (kapasitansi ada bahan).
Selanjutnya dilakukan perhitungan, dengan
langkah-langkah berikut:
Q x = ⎜⎜ 1 2
⎝ Q1 − Q2
1.
Tetapan dielektrik (ε’) :
ε'=
57
Cd d
Aε 0
………………….……….(1)
Mendapatkan Qx :
⎞ ⎛ C1 − C 2
⎟⎟ ⎜⎜
⎠ ⎝ C1
⎞
⎟⎟ ….……(2)
⎠
Kehilangan dielektrik (ε”):
ε"=
ε'
Qx
…………………………….(3)
2.
Pengukuran Koefisien Difusivitas Termal
Pengukuran
difusivitas
termal
dilakukan pada 4 tingkat kadar air dengan 2
ulangan. Prosedur pengukuran adalah
memasukan
andaliman
yang
sudah
diketahui kadar airnya, kedalam silinder alat
ukur. Bahan yang masuk ke dalam benarbenar padat. Kepadatan bahan untuk tiap
ulangan pengamatan harus sama. Silinder
yang sudah berisi bahan ditutup rapat-rapat
dan kemudian dimasukkan kedalam bak
pemanas yang sudah berisi air. Selanjutnya
pengaduk, heater dan perekam dinyalakan.
Perekam akan mencatat perubahan suhu
bahan (pada permukaan dinding dan pusat
dalam silinder) dan air pemanas. Proses
pemanasan
pada
awalnya
akan
menghasilkan kurva pemanasan yang
mempunyai gradien suhu (
stabil.
Setelah
beberapa
∂T
) yang tidak
∂r
lama,
pemanasan akan menghasilkan
proses
∂T
yang
∂r
stabil. Proses pemanasan dihentikan setelah
kurva pemanasan menunjukkan gradien
suhu stabil, karena proses perhitungan
difusivitas termal bahan sudah dapat
dilakukan. Gradien suhu yang stabil inilah
yang dimanfaatkan untuk menghitung
besarnya nilai difusivitas termal bahan
dengan menggunakan persamaan 4.
A R2
α=
4 (Ts − Tc )
………………….(4)
Hasil dan Pembahasan
Sifat Dielektrik Andaliman
Pengukuran sifat dielektrik telah
dilakukan pada empat tingkat kadar air
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 1. Rata-Rata Konstanta dan Kehilangan Dielektrik Andaliman pada Empat Tingkat Kadar
Air dan Tujuh Tingkat Frekuensi Catu Daya
Konstanta Dielektrik (ε’)
k. Air (%)
Frekuensi (MHz)
9
5.439675
6.715648
6.245553
6.849961
7.06
8.54
9.69
20.92
11
5.862761
5.130755
6.305994
7.373782
13
4.553209
4.794973
5.459822
5.882908
15
4.61365
4.512916
4.936001
6.104524
17
4.452475
4.553209
4.835267
5.600851
19
4.150271
4.049536
4.492769
5.399381
21
4.251005
4.170418
4.512916
5.218059
0.104446
0.099443
0.121548
0.11608
0.068169
0.064688
0.084842
0.07075
0.042147
0.032414
0.06199
0.033873
Kehilangan Dielektrik (ε”)
7.06
8.54
9.69
20.92
0.170894
0.183276
0.179495
0.238894
0.133095
0.131594
0.170672
0.160432
0.09314
0.09747
0.096589
0.123655
0.103113
0.10548
0.115669
0.135398
7 .5
K
K
K
K
Konsta nta Die le ktrik
7
6 .5
a
a
a
a
7
8
9
2
.0 6
.5 4
.6 9
0 .9 2
6
5 .5
5
4 .5
4
3 .5
8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
1 6
1 7
1 8
1 9
2 0
2 1
2 2
F r e k u e n si (M H z )
Gambar 3. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman
0 .2 5
K
K
K
K
Ke h ilang an Die le k tr ik
0 .2
a
a
a
a
7
8
9
2
.0 6
.5 4
.6 9
0 .9 2
0 .1 5
0 .1
0 .0 5
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Fr e k u e n s i (M Hz )
Gambar 4. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Kehilangan Dielektrik Andaliman
7,06%; 8,54%; 9,69% dan 20,92%, dan pada
tujuh tingkat frekuensi catu daya: 9 MHz, 11
MHz, 13 MHz, 15 MHz, 17 MHz, 19 MHz, dan
21 MHz dengan 4 ulangan. Rata-rata nilai
konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik
hasil perhitungan disajikan dalam Tabel 1.
Pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa
nilai konstanta dielektrik andaliman berubah
58
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Berdasarkan Gambar 5, pada frekuensi
catu daya 11 MHz, 15 MHz, 19 MHz, dan 21
MHz, nilai konstanta dielektriknya menurun
ketika kadar air andaliman meningkat dari
7,06% ke 8,54%. Sebaliknya untuk frekuensi 9
MHz, 13 MHz, dan 17 MHz. Pada kadar air
dari 8,54%
ke
20,92%, untuk semua
frekuensi (kecuali frekuensi 9 MHz), nilai
konstanta dielektrik meningkat sejalan
dengan peningkatan kadar air andaliman.
Secara
keseluruhan
berdasarkan
bentuk grafik yang dihasilkan, dapat
dikatakan bahwa nilai konstanta dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi. Terutama pada selang
kadar air 8,54% hingga 20,92%.
Berdasarkan bentuk-bentuk grafik
pada Gambar 6 yang dihasilkan untuk tiap
frekuensi catu daya, terlihat polanya tidak
sama. Peningkatan kadar air andaliman
untuk frekuensi tertentu mengakibatkan
peningkatan nilai kehilangan dielektrik dan
sebaliknya. Misalnya pada frekuensi 9 MHz,
13 MHz dan 15 MHz, di mana nilai
kehilangan dielektriknya meningkat pada
kadar air yang lebih tinggi dan sebaliknya
untuk frekuensi pengukuran lainnya.
Pola perubahan nilai kehilangan
dielektrik andaliman untuk tiap frekuensi
catu daya berbeda-beda. Tetapi secara
keseluruhan nilai kehilangan dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi.
dengan berubahnya frekuensi catu daya
yang diterapkan. Misalnya untuk andaliman
dengan kadar air 20,92%; 9,69%; dan 7,06%,
nilai konstanta dielektriknya pada frekuensi
9 MHz adalah 6,84; 6,24 dan 5,43 berturutturut. Pada frekuensi 11 MHz nilainya
meningkat menjadi 7,37; 6,30; dan 5,86
berturut-turut.
Pola-pola nilai konstanta dielektrik
andaliman terhadap perubahan frekuensi
catu daya berbeda-beda. Tetapi dengan
bentuk grafik yang dihasilkan, terdapat
kecenderungan bahwa nilai konstanta
dielektrik
andaliman
menurun
pada
frekuensi catu daya yang lebih tinggi untuk
semua tingkatan kadar air dari andaliman.
Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa
pada frekuensi catu daya yang lebih tinggi
nilai kehilangan dielektrik andaliman dapat
meningkat dan sebaliknya. Misalnya ketika
frekuensi catu daya meningkat dari 13 MHz
ke 15 MHz, nilai kehilangan dielektriknya
meningkat untuk semua tingkat kadar air.
Pada frekuensi 17 MHz, nilai kehilangan
dielektriknya menurun untuk andaliman
dengan kadar air 7,06% dan 9,69%.
Pola-pola perubahan (bentuk grafik
yang dihasilkan) nilai kehilangan dielektrik
andaliman terhadap peningkatan frekuensi
catu daya berbeda-beda untuk tiap tingkat
kadar air. Tetapi secara keseluruhan nilai
kehilangan dielektrik andaliman cenderung
menurun pada frekuensi yang lebih tinggi.
7 .5
7
Kons tanta D ielektrik
Fre k. 9
6 .5
Fre k. 1 1
6
Fre k. 1 3
Fre k. 1 5
5 .5
Fre k. 1 7
5
Fre k. 1 9
Fre k. 2 1
4 .5
4
3 .5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
K a d a r A ir (% b k )
Gambar 5. Pengaruh Kadar Air Terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman
59
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada
Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 2. Nilai Difusivitas Termal Andaliman Empat Tingkat Kadar Air
Ulangan
Difusivitas termal (m2/detik)
1
2
Rata-Rata
Ka=20,92%(bk)
Ka=9,69%(bk)
Ka=8,54%(bk)
Ka=7,06%(bk)
2,8E-07
2,58898E-07
2,69449E-07
3,19667E-07
2,96333E-07
3,08E-07
2,82262E-07
2,8226E-07
2,7122E-07
2,49444E-07
2,60332E-07
3.6e-7
3.4e-7
3.2e-7
3.0e-7
2.8e-7
2.6e-7
Difusivitas termal (m^2/detik)
2.4e-7
2.2e-7
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Kadar air (% bk)
Gambar 7. Hubungan antara Kadar Air dengan Difusivitas Termal Andaliman
Difusivitas Termal Andaliman
Pengukuran dilakukan dengan dua
ulangan pada kadar air 20,92; 9,69; 8,54; dan
7,06% (bk). Dari grafik hubungan waktu
dengan suhu, kemudian dihitung kecepatan
peningkatan suhu bahan (A) dan perbedaan
suhu permukaan dengan pusat bahan (Ts–
Tc). Hasil-hasil perhitungan difusivitas
termal andaliman untuk tiap tingkat kadar
air disajikan dalam Tabel 2.
Berdasarkan Gambar 7, terlihat pada
kadar air 7,06% (bk) hingga 9,69% (bk) nilai
difusivitas termal andaliman meningkat
pada kadar air yang lebih tinggi. Selanjutnya
pada kadar air 20,92%, nilai difusivitas
termal andaliman menurun hingga lebih
kecil dari nilai difusivitas termal pada kadar
air 8,54%. Hal ini menunjukkan andaliman
dengan kadar air pada tingkat tertentu tidak
mempunyai hubungan positif dengan nilai
difusivitas termalnya.
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian ini dapat
diambil kesimpulan bahwa nilai konstanta
dan kehilangan
dielektrik andaliman
cenderung
menurun
pada
frekuensi
pengukuran yang lebih tinggi. Sebaliknya
nilai konstanta dan kehilangan dielektrik
andaliman cenderung meningkat pada kadar
air yang lebih tinggi. Sementara nilai
difusivitas termal andaliman cenderung
meningkat pada kadar air yang lebih tinggi.
Daftar Pustaka
Cabrera, Juan Monzo, Murcillo, A.D., Civera,
J. M. C. and Reyes, E. de los. 2000.
Heat
and
Massa
Transfer
Caracteristics of Microwaves Drying
of Leather. ADC 2000.
Harmen. 2001. Rancang bangun Alat dan
Pengukuran Nilai Sifat Dielektrik
Bahan Pertanian Pada Kisaran
Frekuensi Radio. Bogor. Tesis.
Jurusan Keteknikan Pertanian Pasca
Sarjana IPB Bogor.
Holman, J. P. 1986. Heat Transfer. New York.
Mc Graw Hill.
60
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Moshenin, Nuri. 1980. Thermal Properties of
Food and Agricultural Materials.
New York. Gordon and Breach
Publishers.
Prasad, Suresh. 1993. Physical and Thermal
properties of gorgon nut. Journal of
food process. Engineering Vol. 16.
p.237-245
Moshenin, Nuri. 1984. Electromagnetic
Radiation Properties of Food and
Agricultural Product. New York.
Gordon and Breach Publishers.
Rao, M. A. and Rizvi S. S. H.. 1995.
Engineering Properties of Foods.
New York. Mercel Decker.
Paulus, Gunawan Suharto. 1989. Pengukuran
Nilai Difusivitas Panas Bubur dan
Tepung Cabe Merah dari Hasil
Pengeringan Alami dan Buatan.
Bogor. Skripsi. Jurusan Keteknikan
Pertanian IPB Bogor.
61
Sanga, E., A. S. Mujumdar and G. S. V.
Raghavan. 2001. Experimental and
Numerical Analysis of Intermitent
Microwave Convection Drying. ADC
(Editet by Daud et al).
Tulasidas, T. N., Ratti, C., and Raghavan, G.
S. V. 1997. Modelling of microwave
drying of grapes. Journal od
Canadian Agricultural Engineering.
Vol. 39. No. 1.