B A B III. T I N J A U A N P U S T A K A
Aplikasi level sensor s e b a g a i pendeteksi ketinggian p e r m u k a a n cairan di d a l a m industri
dipergunakan
secara
luas
sebagai
alat
pengaman
dalam
memonitor
pengisian cairan ke d a l a m kontainer. S i s t e m p e n g a m a n bekerja d i m a n a
sesaat
sebelum
proses
cairan
mencapai
ketinggian
permukaan
y a n g diizinkan, m a k a
pengisian kontainer secara otomatis dihentikan, p o m p a dimatikan atau alarm akustik dan optis dinyalakan [ G u t m a n n , 2 0 0 2 ; H o f f m a n n , 1999]. M e t o d e ini j u g a d a p a t dipergunakan untuk m e n d e t e k s i ketinggian p e r m u k a a n air sungai, yang dikombinasikan d e n g a n sistem telemetri untuk mengirim data dari daerah aliran sungai ( D A S ) ke stasiun p e n g a m a t a n di d a e r a h p e m u k i m a n . D e w a s a ini terdapat banyak m e t o d e p e n g u k u r a n ketinggian (level sensor) seperti dijelaskan d a l a m [Trankler, 1998]. T a b e l 1. Matriks p e r b a n d i n g a n b e b e r a p a level s e n s o r 3
Prinsip
Kelebihan
Kelemahan
3 >^ c
'•*-»
c o
c o
Float switch
• Struktur s e d e r h a n a , biaya rendah d a n tidak bergantung pada s u h u d a n t e k a n a n
• Korosi, • masalah mekanis
•
•
Kapasitif
• Struktur sederhana • cocok untuk berbagai cairan • biaya s e d a n g
• Dielektristas tergantung jenis cairan, • pengotoran sonde, a d h e s i , kristalisasi atau m u a t a n elektrostatis
•
•
PTC
• Struktur s e d e r h a n a , k o m p a k d a n sensitif t e r h a d a p s u h u • biaya rendah
• dispersi produksi • kestabilan y a n g rendah, • pengotoran sensor
X
•
Ultrasonik
• Presisi tinggi • tidak tergantung p a d a luar
• biaya tinggi • pengotoran sonde
•
•
Keterangan: •
cocok
macam
X tidak cocok
Salah satu sensor y a n g e k o n o m i s untuk sistem peringatan dini adalah sensor kapasitif (capacitive
level
sensor)
seperti diperiihatkan d a l a m g a m b a r 1. Sistem
deteksi level sensor secara u m u m dibagi 2 kategori yaitu d e t e k s i cairan di kontainer secara kontinyu d a n tidak kontinyu. Level s e n s o r berbasis p e r u b a h a n kapasitansi mendeteksi
perubahan
ketinggian
pennukaan
6
secara
kontinyu.
Sebagai
perbandingan dari berbagai sistenn d e n g a n kelebihan serta kekurangan diperiihatkan d a l a m tabel 1 [Lazuardi, 2 0 0 2 ] . Sekalipun
metode
kapasitif
mempunyai
keterbatasan,
sensor
kapasitif
m e m p u n y a i kelebihan-kelebihan untuk berbagai aplikasi sebagai contoh, kapasitor tidak m e m p u n y a i kontak m e k a n i s langsung, g e s e k a n atau kesalahan
histerisis.
Kelebihan lain dari sensor kapasitif adalah stabilitas d a n reproduksibilitasnya y a n g tinggi [Endress, 1999]. Hal ini d i s e b a b k a n , kapasitansi C tidak bergantung pada konduktivitas
listrik
dari
elemen
elektrodanya
(pelat).
Perubahan
suhu
m e m p u n y a i p e n g a r u h y a n g signifikan d a n tidak terdapat efek p e n u a a n
tidak
{ageing).
Disamping itu sensor kapasitif tidak m e n g h a s i l k a n m e d a n listrik atau magnetik y a n g besar jika dibandingkan sensor induktif. HI.1. M E T O D E P E N G U K U R A N K A P A S I T I F Prinsip
pengukuran
metode
kapasitif
berhubungan
dengan
perubahan
ketinggian cairan y a n g m e n g a k i b a t k a n p e r u b a h a n kapasitansi AC suatu
sensor
kapasitor yang d i p e r g u n a k a n sebagai sistem p e n g u k u r a n . Perubahan kapasitansi dari sensor m e r u p a k a n fungsi ketinggian p e r m u k a a n ciran d a n dielektriknya, y a n g dapat dinyatakan sebagai berikut [ H e r c e g , 1976]: AC = Secara
f{e,h,) dasar, dielektrik terdiri dari m e d i u m y a n g diukur d e n g a n permitivitas
relatif £r y a n g ditentukan oleh ratio pennitivitasnya t e r h a d a p pennitivitas v a c u m . So = 8.8542 10"^^ F/m.
Untuk
penggunaan
praktis, di udara
dipergunakan
nilai
£^ = efe^ = 1 . S u s u n a n kapasitor y a n g d i p e r g u n a k a n untuk pengukuran ketinggian biasanya terdiri dari elektroda silinder
pengukur).
kapasitif (probe) d a n elektroda counter
Sementara
faktor
permitivitas
relatif
(dinding
tergantung
pada
k e l e m b a b a n , kosentrasi larutan, komposisi kimia d a n fisika dari m e d i u m yang diukur serta s u h u d a n densitas bulk dari p a d a t a n . P a d a p e n g u k u r a n kontinyu diasumsikan bahwa
permitivitas
relatif
dari
medium
adalah
konstan.
Untuk
air,
nilai
dielektrisitasnya adalah £>= 8 1 . Pada penelitian ini a k a n d i k e m b a n g k a n sensor kapasitif berbentuk kapasitor silinder y a n g terdiri dari d u a dinding silinder berisi cairan y a n g a k a n dideteksi, lihat gambar 1. Dinding silinder terluar m e r u p a k a n mantel silinder d a n elektroda p e n g u k u r merupakan silinder
terdalann.
Stray
kapasitansi,
7
Cs, sampai
ketinggian ho diabaikan.
P e r s a m a a n u m u m untuk kapasitansi kapasitor berbentuk silinder adalah sebagai berikut [VDI, 2003]:
(1)
ln{Dld)
d i m a n a L adalah panjang silinder, D/d adalah p e r b a n d i n g a n diameter silinder terluar d a n silinder dalam.
G a m b a r 1. Ketinggian p e r m u k a a n cairan di d a l a m kapasitor silinder Total kapasitansi, C, yang b e r h u b u n g a n d e n g a n ketinggian hx dihitung
sebagai
j u m l a h dari dua kapasitansi parsial Ci d a n C2 dari v o l u m e kapasitor terisi m e d i u m atau kosong berturut-turut, y a n g d i h u b u n g k a n secara paralel seperti pada g a m b a r berikut:
C = C, + C, =
ln{D/d)
ln{Djd)
-+
<2)
ln{D/d)
(3)
ln{D/d)
sehingga diperoleh kapasitansi sensor kapasitif s e b e s a r C = Co + AC d e n g a n C„ = — 7 - ~ - T d a n A C =
"
ln{D/d)
(4)
f^T^•
K
ln{D/d)
Pada p e r s a m a a n (4), kapasitansi y a n g diukur, C, adalah suatu kombinasi dari
8
kapasitansi Co dari kapasitor k o s o n g d a n p e r u b a h a n d a l a m kapasitansi AC y a n g dihasilkan
dari ketinggian
medium
y a n g diukur,
y a n g diukur
melalui
elektroda
kapasitif. Elektroda pengukur terbuat dari b a t a n g l o g a m , kabei atau pelat dari b a h a n konduktif.
Jika
medium
yang
diukur
adalah
konduktif
(konduktivitas
melebihi
20ftS/cm) m a k a probe harus diisolasi [ H u a n g et al, 1988]. Jika t a b u n g pengukur t e r e n d a m di d a l a m cairan, isolasi dari p r o b e berfungsi s e b a g a i dielektrik
yang
m e n e n t u k a n kapasitansi, m e d i u m konduktif y a n g diukur berfungsi sebagai elektrodacounter. Deposit kerak pada elektroda (probe) kristalisasi
atau
pembentukan
muatan
s e b a g a i akibat sebagai contoh; adhesi, elektrostatis
yang
berakibat
pada
hasil
pengukuran harus dihindarkan. D a e r a h deteksi p a d a probe tertutupi oleh deposit kerak yang efeknya dapat dieliminir m e m p e r g u n a k a n elektroda p e n g k o m p e n s a s i d a n m e m p e r g u n a k a n m e t o d e p e n g o l a h a n sinyal [Jones et al, 1973]. III.2. P E N G O L A H I S Y A R A T S E N S O R K A P A S I T I F Berbagai tipe rangkaian
dapat dipergunakan
untuk
mendeteksi
perubahan
kapasitansi sensor p e n g u k u r Co ± C m e n j a d i arus, t e g a n g a n atau sinyal frekuensi. S e b a g a i contoh adalah rangkaian p e n g u k u r reaktansi kapasitif y a n g m e m e r l u k a n suplai arus bolak-balik pengeksitasi d e n g a n frekuensi tinggi untuk mengeliminasi efek t a h a n a n kapasitor y a n g tidak diinginkan y a n g terdapat pada [Koplan,
1978].
Gambar
2
memperlihatkan
rangkaian
dasar
kondensator
untuk
mengukur
perubahan kapasitansi dari sensor.
G a m b a r 2. Rangkaian d a s a r untuk m e n g u k u r kapasitansi pendeteksi ketinggian cairan. Frekuensi pengukuran biasanya terletak antara 2 0 K h z d a n 6 M h z .
Frekuensi
tinggi lebih diutamakan untuk m e m p e r o l e h reaktansi kapasitif y a n g kecil. Pada sisi
9
lain, frekuensi y a n g dipergunakan harus dipilih s e d e m i k i a n hingga untuk m e m p e r o l e h panjang g e l o m b a n g y a n g dihasilkan, X, c u k u p b e s a r jika dibandingkan panjang elektroda (probe) (>. « 4 0 Ls) [Trankler,
dengan
1998]. Ukuran geometri
elektroda pengukur (probe sensor) untuk m e n d e t e k s i ketinggian p e r m u k a a n
dari air
sungai ditentukan oleh faktor k e d a l a m a n , tinggi r e n d a h n y a kenaikan air sungai dihitung dari p e r m u k a a n air surut. Faktor-faktor d i a t a s menjadi variabel
dalam
m e n d e s a i n sensor d a l a m penelitian ini. Untuk sensor kapasitif nilai kapasitansi relatif kecil m e m e r l u k a n frekuensi suplai yang
relatif
impedansi
tinggi
untuk
sensor
sangat
memperoleh tinggi
nilai
maka
keluaran
yang
dipergunakan
kabel
signifikan. koaxial
Karena sebagai
p e n g h u b u n g . Hal ini a k a n m e n a m b a h kapasitansi paralel t e r h a d a p sensor y a n g m e n y e b a b k a n m e n u r u n n y a sensitivitas d a n linearitas. Solusi dari
permasalahan
diatas d e n g a n m e n e m p a t k a n rangkaian p e n g o l a h isyarat s e d e k a t m u n g k i n d e n g a n sensor serta m e m p e r g u n a k a n kabel s e p e n d e k m u n g k i n [ K a n n o et al, 1978]. Secara u m u m diperlukan rangkaian p e n g o l a h isyarat berikut ini untuk m e n g u b a h besarnya perubahan keluaran,
yang
penyearah
kapasitansi pada elektroda
terdiri
untuk
dari
osilator,
menghasilkan
untuk
tegangan
(probe) sensor menjadi
menghasilkan searah
yang
frekuensi
sinyal
pengukur,
proporsional
dengan
perubahan kapasitansi sensor d a n penguat, untuk m e m p e r k u a t sinyal keluaran. Pengolahan d e n g a n komputer dapat dilakukan d e n g a n m e n g u b a h sinyal sensor dari d o m a i n analog ke d o m a i n digital. Struktur ini terdiri atas multiplekser analog yang d i h u b u n g k a n d e n g a n A n a l o g to Digital Converter ( A D C ) [Heerens, 1986]. III.3. S T R U K T U R S I S T E M P E N G I R I M A N D A T A S E N S O R Jika pengukuran d a n tampilan data terletak berjauhan atau tidak d a p a t diakses maka
diperlukan
(transmitter,
Tx)
suatu dan
instalasi
menerima
yang
memungkinkan
(receiver,
Rx)
data
untuk
mentransmcsikan
pengukuran.
Situasi
ini
dimungkinkan jika stasiun p e m a n t a u ketinggian p e r m u k a a n air s u n g a i terletak pada titik y a n g s u s a h ditempuh oleh manusia. P a d a penelitian ini a k a n d i k e m b a n g k a n sistem telemetri data m e m p e r g u n a k a n sinyal frekuensi radio. Kelebihan dari sistem ini adalah kapasitasnya yang j a u h lebih besar d a r i p a d a m e m p e r g u n a k a n telemetri kawat d a n m e m u n g k i n k a n untuk s e j u m l a h b e s a r saluran p a d a b a n d yang s a m a m e m p e r g u n a k a n multiplexing [Jones et al, 1986]. Sinyal sensor setelah diolah pada t a h a p p e r t a m a harus dimodulasi untuk d a p a t
10
dikombinasikan d e n g a n m o d e transmisi sehingga d a p a t diterima oleh modulator pemancar. Untuk mentransmisikan berbagai data hasil p e n g u k u r a n d a p a t dilakukan d e n g a n m e m p e r g u n a k a n frequency-division multiplexing ( F D M ) d i m a n a tiap sinyal memodulasi
gelombang
sub-carrier
pada
frekuensi
yang
berbeda.
Untuk
m e m p e r o l e h hal ini, s e b u a h osilator diberikan p a d a m a s i n g - m a s i n g s e n s o r d e n g a n alokasi frekuensi yang berbeda. Pada p e n e r i m a sinyal p e m b a w a di d e m o d u l a s i dan tiap-tiap kanal dipisahkan m e m p e r g u n a k a n filter tertala d a n k e m u d i a n didemodulasi.
G a m b a r 3 Posisi stasiun p e m a n t a u (SP) p a d a d a e r a h aliran sungai d a n stasiun p e n e r i m a p a d a d a e r a h p e m u k i m a n di perkotaan Sistem
sensor dan
rangkaian
tersebut d i p e r g u n a k a n
pada
pengamat (SP Tx) y a n g terletak p a d a d a e r a h aliran sungai d a n melalui g e l o m b a n g
stasiun-stasiun ditransmisikan
radio m e m p e r g u n a k a n telemetri, g a m b a r 4 . Data
kemudian
ditangkap pada stasiun penerima (SP Rx) untuk k e m u d i a n diolah untuk m e m b e r i k a n informasi tentang ketinggian p e r m u k a a n air sungai. Seperti
hasil
yang
telah
diperoleh
pada
tahap
ke-1
(2006),
data
hasil
pengukuran d a l a m bentuk t e g a n g a n harus d i u b a h terlebih d a h u l u menjadi bentuk digital. Jika s e n s o r y a n g diukur lebih dari satu b u a h m a k a diperlukan multipleksing m e m p e r g u n a k a n saklar digital. Data y a n g telah d a l a m bentuk digital dicampur
dengan
sinyal
pembawa
(carrier)
penelitian t a h a p ke-2 ini d i r e n c a n a k a n
dengan
frekuensi
akan mempergunakan
kemudian
tertentu. frekuensi
sebesar 4 3 3 M H z atau d e n g a n panjang g e l o m b a n g F M 7 0 c m , d a n
Pada carrier
dipancarkan
m e m p e r g u n a k a n antena satu arah Y a g i . Data
yang
telah
dimodulasi
dipancarkan
melalui
antena
pada
stasiun
pengamatan. kemudian
Pada
stasiun
dilakukan
proses
penerima, demodulasi
data
kemudian
untuk
ditangkap
memisahkan
oleh
antara
antena,
gelombang
p e m b a w a (carrier) d a n g e l o m b a n g sinyal ukur dari sensor. Setelah difilter d a n diperkuat, sinyal hasil p e n g u k u r a n y a n g ditangkap p a d a stasiun penerima dapat diolah lebih lanjut untuk ditampilkan serta jika telah melewati a m b a n g tertentu m a k a alarm akustik akan berbunyi.
Sinyal Data Sensor
Multiplekser
Analog to Digital Conv.
Pemancar
Mix Sinyal Sensor+Carrier
Register Memory
Penerima
Gambar
4. Diagram
alir sistem
•
Demodulasi
pengiriman
•
Display
data m e m p e r g u n a k a n sistem
telemetri
Dengan sistem telemetri ini m a k a kondisi geografis D A S Siak di propinsi Riau yang sulit d i t e m p u h d e n g a n k e n d a r a a n bermotor d a p a t dieliminir. Aplikasi ini tidak terbatas pada D A S Siak, tetapi j u g a d a p a t diterapkan p a d a D A S lainnya.
12
