Desain Prototipe Sonic Log Menggunakan Sensor Ultrasonik untuk Mengetahui Waktu Penjalaran Gelombang Suara pada Medium Padat Skripsi Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Sains (S.Si)
Oleh TAUFIK HIDAYAT 107097002890
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2011
Desain Prototipe Sonic Log Menggunakan Sensor Ultrasonik untuk Mengetahui Waktu Penjalaran Gelombang Suara pada Medium Padat
Skripsi Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Oleh:
TAUFIK HIDAYAT 107097002890
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2011
LEMBAR PERNYATAAN
DENGAN INI SAYA MENYATAKAN BAHWA SKRIPSI INI BENAR HASIL KARYA SENDIRI YANG BELUM PERNAH DIAJUKAN SEBAGAI SKRIPSI ATAU
KARYA
ILMIAH
PADA
PERGURUAN
TINGGI
ATAU
LEMBAGA MANAPUN.
Jakarta, Desember 2011
Taufik Hidayat 107097002890
ABSTRAK
Telah dapat dibuat desain prototype sonic log menggunakan gelombang ultrasonik untuk mengetahui waktu penjalaran gelombang suara pada medium melalui analisa tampilan osiloskop dan pada tampilan LCD 16x2. Desain prototype ini dibuat dengan mengintegrasikan rangkaian osilator, rangkaian penguat, dan mikrokontroller, serta desain mekanik yang sederhana yaitu satu transmitter dan dua receiver. Osilator ultrasonik dibuat dengan rangkaian IC logic 4049 sebagai osilator frekuensi ultrasonik, dengan range frekuensi yaitu 36-42 kHz. Pemancar ultrasonik menggunakan transduser 400ST/R160 dan untuk mengatur pewaktuan digunakan mikrokontroler ATMEGA 16. Pada rangkain penguat penerima ultrasonik digunakan 2 Op-amp CA 3140. Mikrokontroler ATMEGA 16 digunakan untuk mengatur pewaktuan yang dibuat berulang-ulang agar respon gelombang dua receiver dapat dibaca pada osiloskop melalui P.B.0. Setelah dilakukan pengujian, generator pulsa gelombang ultrasonik diperoleh frekuensi daerah kerja efektif pada frekuensi 38,8 kHz. Pada pengujian diperoleh jarak transmisi sensor pada media yaitu 1-5 cm dengan kombinasi jarak kedua receiver masing 10 dan 17 cm. Pada pengujian kombinasi jarak transmisi pada media diperoleh nilai interval transit time yang terbaca pada lcd sebesar 558 µs untuk jarak transmisi 5 cm, dan pada osiloskop sebesar 550 µs. Sensitivitas sensor ultrasonik terhadap perekaman interval transit time dengan kombinasi jarak telah didapatkan dengan nilai sentivitas yang terukur adalah 142.3 µs dengan korelasi 97,1%.
Kata Kunci : Sonic log, Gelombang ultrasonik, interval transit time dan Mikrokontroller .
i
ABSTRACT
A prototype design of sonic logs using ultrasonic waves to determine the propagation time of sound waves have been created through analysis of the oscilloscope display and the LCD display 16x2. Prototype design was made by integrating the oscillator circuit, amplifier circuits, and microcontroller, as well as a simple mechanical design that is one transmitter and two receivers. Ultrasonic oscillator circuits made with IC logic 4049 as the ultrasonic frequency oscillator with a frequency range of 36-42 kHz. Using ultrasonic transmitter transducer 400ST/R160 and used to adjust the timing ATMega microcontroller 16. In the string of ultrasonic receiver amplifier used two op-amp CA 3140. ATMega microcontroller 16 is used to adjust the timing that made the response to repeated waves of the two receivers can be read on the oscilloscope through the PB0. After testing, ultrasonic wave pulse generator frequency is obtained at a frequency effective working area of 38.8 kHz. Obtained on testing the sensor on the transmission distance is 1-5 cm medium with a combination of the two receiver distances of 10 and 17 cm respectively. In testing the combination of the transmission on the medium distance interval transit time values obtained are legible on the lcd of 558 µs for the transmission distance of 5 cm, and on the oscilloscope of 550 µs. Sensitivity of ultrasonic sensors to the recording interval transit time with a combination of distance has been obtained with the measured value sentivitas is 142.3 µs with a correlation of 97.1%.
Keywords: Sonic logs, ultrasonic wave, the interval transit time and the microcontroller.
ii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis berhasil merampungkan Skripsi yang berjudul “Desain Prototipe Sonic Log Menggunakan Sensor Ultrasonik Untuk Mengetahui Waktu Penjalaran Gelombang Suara Pada Medium Padat”. Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Fisika Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta. Tidak lupa
juga shalawat dan salam penulis haturkan kepada junjungan Nabi Muhammad SAW beserta keluarga dan para pengikutnya yang senatiasa memberi tauladan kepada umatnya. Dalam penulisan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan dan motivasi dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu perkenankan penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua saya yang telah banyak memberikan cinta dan kasih sayangnya, nasehat, doa, serta dukungan yang luar biasa hingga selesainya skripsi ini. 2. Bapak Prof. Dr. Suprajitno Munadi, Dipl. -Ing selaku pembimbing I dan sebagai inisiator serta motivator dalam penelitian.
3. Bapak DR. Sopyansah Jaya Putra, M.Sis. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi. 4. Bapak Sutrisno, M.Si selaku Pembimbing II dan Ketua Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi. 5. Bapak Arif Tjahjono, S.T, M.Si dan Bapak Dr. Ir. Agus Budiono, M.T selaku penguji yang telah banyak memberikan saran dan kritik kepada penulis
iii
6. Bapak Priyambodo, S.Si selaku dosen Laboratorium Fisika yang telah membimbing dan memberi saran kepada penulis. 7. Humbang Purba, M.Si, Yudi Kuntoro, S.Si dan Rosi Andi Saputro, S.Si selaku rekan peneliti yang telah memberikan inspirasi kepada penulis. 8. Bapak Jarot yang telah banyak membantu dan membimbing dalam penyelesaian mekanik. 9. Kakak dan Adik-adik ku yang juga sangat memberikan support dalam penyelesaian skripsi ini. 10. Wulan Rahmasari Nurutami yang telah memberikan motivasi dan semangat kepada penulis. 11. Semua teman-teman Instrument (Fisika 2007) Q-by, Destroy (nunung), Ozon, Romy, Ana, Hesti (Pacul), Badai, adam (Asaajahdahah), Pangky yang telah memberikan semangat dan dukungan kepada penulis. 12. Teman – teman seperjuangan Fisika 2007 (dayat, ardi, andri, tio, away, david, adang, arul, asegaf, fulki, satria, fajar, pendi, athar, ome, titin, Fatimah) yang telah memberi motivasi dan dukungannya.
Penulis menyadarai bahwa sebagai manusia biasa tentu tidak luput dari kesalahan. Apabila terdapat suatu kesalahan itu merupakan suatu keahilafan dari saya dan apabila terdapat kebenaran itu hanya datang dari Allah SWT semata. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritikan dan masukan demi kesempurnaan Skripsi ini.
Jakarta, November 2011
Penulis
iv
DAFTAR ISI
ABSTRAK...........................................................................................................
i
ABSTRACT.........................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR.........................................................................................
iii
DAFTAR ISI........................................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR...........................................................................................
vii
DAFTAR TABEL...............................................................................................
ix
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang......................................................................................
1
1.2.Perumusan Masalah..............................................................................
4
1.3.Batasan Masalah..................................................................................
4
1.4 Tujuan Penelitian...................................................................................
5
1.5. Manfaat Penelitian................................................................................
5
1.5. Sistematika Penulisan...........................................................................
6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Sonic Log.............................................................................................
8
2.1.1. Tinjauan Sifat Elastis...................................................................
11
2.1.2. Desain Alat Sonic Log.................................................................
13
2.2. Gelombang akustik dan ultrasonik......................................................
15
2.2.1. Perambatan Gelombang Ultrasonik..............................................
16
2.3. Karakteristik Gelombang ultrasonik....................................................
20
2.3.1. Panjang Gelombang, Frekuensi, dan Kecepatan...........................
21
2.3.2. Energi dan Intensitas.....................................................................
21
2.4. Interaksi Gelombang Ultrasonik dengan Materi.................................
25
2.4.1. Impedansi Akustik........................................................................
25
2.4.2. Atenuasi........................................................................................
26
2.4.3. Refraksi.........................................................................................
27
2.4.4. Hamburan......................................................................................
28
v
2.4.5. Refleksi.........................................................................................
29
2.5. Pengertian Sensor dan Transduser........................................................
31
2.5.1. Transduser Ultrasonik....................................................................
32
2.5.2. Prinsip Kerja dan sifat transduser Ultrasonik................................
35
2.6. Mikrokontroller AVR Atmega 16........................................................
36
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian................................................................
41
3.2. Alat dan Bahan.....................................................................................
41
3.3. Tahapan Penelitian...............................................................................
42
3.4. Diagram Blok dan Cara kerja...............................................................
45
3.5. Perancangan Hardware........................................................................
47
3.5.1 Perancangan Mekanik...................................................................
48
3.5.2 Perancangan Rangkaian Pembangkit Ultrasonik..........................
49
3.5.3 Perancangan Rangkaian Penguat Ultrasonik..........................
50
3.5.4 Rangkaian LCD............................................................................
51
3.5.5 Perancangan Program Mikrokontroller.........................................
52
3.6 Pengujian Alat.......................................................................................
55
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Sonic Log...............................................................................................
56
4.2. Pengujian Rangkaian............................................................................
60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan............................................................................................
67
5.2. Saran.....................................................................................................
68
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Prinsip perekaman sonic log....................................................
9
Gambar 2.2
Contoh gelombang yang diterima oleh sonic log....................
9
Gambar 2.3
Definisi modulus bulk (a); modulus geser (b).........................
12
Gambar 2.4
Alat sonic pertama...................................................................
13
Gambar 2.5
Alat penerima dula sonic.........................................................
14
Gambar 2.6
Sonic log dual transmitter dan dual receiver............................ 15
Gambar 2.7
Gelombang longitudinal........................................................... 17
Gambar 2.8
Gaya yang terjadi ketika gelombang suara merambat.............
Gambar 2.9
Pemindahan elemen selama gelombang suara merambat........ 18
Gambar 2.10
Interaksi ultrasonik dalam 2 medium....................................... 26
Gambar 2.11
17
Interaksi ulrasonik dengan 2 medium yang menyebabkan atenuasi....................................................................................
27
Gambar 2.12
Refraksi....................................................................................
28
Gambar 2.13
Hamburan : (a)batas 2 medium, (b)medium heterogen ..........
29
Gambar 2.14
Transmisi dan Refleksi............................................................
30
Gambar 2.15
Efek piezoelektrik....................................................................
33
Gambar 2.16
Pola radiasi gelombang ultrasonik...........................................
34
Gambar 2.17
Sensor ultrasonik...................................................................... 34
Gambar 2.18
Blok diagram AVR ATMEGA16............................................
37
Gambar 2.19
Pin-pin ATMEGA16 kemasan 40-pin.....................................
39
Gambar 3.1
Diagram alur penelitian ........................................................... 43
vii
Gambar 3.2
Bentuk gelombang yang diterima receiver..............................
46
Gambar 3.3
Diagram blok...........................................................................
46
Gambar 3.4
Gambaran umum rancangan hardware....................................
47
Gambar 3.5
(a) Desain sonde (b) desain casing sensor...............................
48
Gambar 3.6
Mesin bubut dan bahan alumunium......................................... 49
Gambar 3.7
Rangkaian pembangkit ultrasonik............................................ 50
Gambar 3.8
Rangkaian penguat ultrasonik.................................................. 51
Gambar 3.9
Rangkaian LCD 16x2..............................................................
52
Gambar 3.10
Program mikrokontroller.........................................................
54
Gambar 4.1
Sonic log..................................................................................
56
Gambar 4.2
Tampilan interval transi time................................................... 58
Gambar 4.3
Grafik frekuensi efektif............................................................ 59
Gambar 4.4
Bentuk gelombang osilator......................................................
60
Gambar 4.5
Pulsa kedua receiver................................................................
61
Gambar 4.6
Pulsa aktif low mikrokontroller...............................................
62
Gambar 4.7
Pulsa transmisi.........................................................................
62
Gambar 4.8
Respon gelombang receiver 1 dan receiver.............................
63
Gambar 4.9
Respon sensor dengan variasi jarak........................................ 65
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Karakteristik sensor ultrasonik................................................
35
Tabel 4.1
Pengujian frekuensi efektif......................................................
59
Tabel 4.2
Pengujian sensitivitas sensor dengan variasi jarak..................
65
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Pembuatan modul elektronik (osilator, penguat, dan catu daya) ............................................................................... 71
Lampiran 2
Realisasi mekanik (casing sensor dan sonde sonic)................. 72
Lampiran 3
Program bahasa C (source code) pada Code vision AVR.......
Lampiran 4
Software yang digunakan......................................................... 75
73
x
NOTASI
V
= Kecepatan (laju gelombang) = Massa jenis (densitas)
∆
= Interval waktu
f
= Frekuensi (Hz)
K
= Modulus Bulk
P
= Tekanan
v
= volume
µ
= Modulus Geser
Ps
= Tekanan geser = Regangan geser
Fx
= Gaya
m
= massa
a
= Percepatan = Rapatan elemen
E
= Modulus elastisitas = Stress (rapatan)
A
= Luas penampang = Panjang gelombang
I
= Intensitas
xi
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Dalam industri minyak dan gas bumi, logging merupakan salah satu
cara untuk mendapatkan gambaran lengkap dari lingkungan bawah tanah, tepatnya dapat mengetahui dan menilai batuan-batuan yang ada di sekeliling lubang bor. Untuk mengetahui jenis batuan dan kandungannya manusia menciptakan alat-alat khusus yang diturunkan ke dalam sumur pengeboran, dan kemudian di tarik keatas secara perlahan dengan maksud agar sensor “merasakan” adanya hal-hal yang ditemuinya[1]. Instrumentasi logging untuk pengukuran besaran fisika lubang bor telah berkembang cepat sejak sebelum perang dunia[1]. Alat-alat logging yang digunakan dalam industri minyak dan gas bumi sangat beragam sesuai dengan kebutuhan data sifat fisik batuan (porositas, permeabilitas, saturasi, dan lainlain). Salah satu alat logging yang digunakan untuk menentukan sifat fisik batuan tersebut yaitu sonic atau akustik log (log suara). Sonic atau akustik log merupakan log porositas yang mengukur interval transit time (∆ , delta t, atau DT) dari gelombang suara (sonic) yang berjalan melalui formasi sekitar sudut dari lubang bor
[2]
. Alat ini memiliki energi suara (akustik) dengan rentang
1 Suprajitno M. 2001. Instrumentasi Geofisika. Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Indonesia, Jakarta.
,
2 G.Asquith and D.Krygowski, Basic Well Log Analysis: AAPG Mehods in Exploration 16
1
frekuensi diatas 20 kHz (ultrasonik) yang memancar secara berkala[2]. Sonic log telah dikenal sejak lama dengan paten pertama oleh Schlumberger pada tahun 1935, dengan konsep yang sederhana yaitu menjelaskan bagaimana cara menggunakan 1 transmitter dan 2 receiver untuk mengukur kecepatan suara pada interval pendek pada formasi batuan dalam lubang bor
[3]
. Konsep yang
dibuat mengalami kegagalan waktu itu karena kurangnya teknologi dan teknisi yang dapat menjelaskan pendeteksian waktu yang singkat antara sinyal yang datang pada dua receiver. Seiring dengan perkembangan zaman beberapa perusahaan minyak seperti Magnolia, Humble, dan Shell terus mengembangkan konsep awal dari Schlumberger dan pada tahun 1951 Humble mengawali keberhasilannya dalam melakukan pengukuran waktu penjalaran gelombang sonic atau akustik dengan satu transmitter dan dua receiver [3]. Rancangan alat sonic log dengan satu transmitter dan dua receiver merupakan rancangan yang sederhana dan paling umum digunakan, karena interval transit time gelombang yang dideteksi hanya gelombang pertama saat diterima oleh dua receiver yaitu gelombang kompresi (compressional wave) [4]
. Gelombang kompresi merupakan gelombang longitudinal dengan arah
getar partikel medium searah dengan arah penjalarannya
[5]
. Perancangan
sistem alat sonic log telah banyak dilakukan oleh beberapa perusahaan jasa
3 D. Close, D. Cho, F. Horn, and H. Edmunson.2009, The Sound of Sonic: A Historical Perspective and Introduction to Acoustic Logging 4 Vogel,Summer and Broding.. Acoustic Logging. Chapter 7.
5 Suprajitno M. 2000. Aspek Fisis Seismologi Eksplorasi. Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Indonesia, Jakarta.
,
2
minyak di dunia, dengan desain dan aplikasi yang berbeda-beda. Namun hampir tidak ada indusri minyak di Indonesia yang melakukan penelitian tentang desain alat sonic ini. Berdasarkan pengetahuan dasar tentang sejarah sonic atau akustik logging dan aplikasinya, maka penelitian ini dilakukan untuk membuat desain prototipe alat sonic log dengan menggunakan sensor ultrasonik dan aplikasinya untuk mengetahui interval tertentu dalam waktu transit gelombang suara (sonic) atau akustik pada medium (formasi batuan). Dan hasil pengukuran interval transit time gelombang sonic tersebut digunakan untuk menentukan porositas batuan dalam lubang bor. Porositas merupakan persentase dari total ruang yang tersedia untuk ditempati oleh suatu cairan atau gas [6]. Pada rancangan sonic log yang umum digunakan telah dilakukan desain yang sederhana untuk membuat satu transmitter dan dua receiver dengan mendeteksi interval transit time gelombang sonic yang pertama diterima oleh dua receiver
yaitu gelombang kompresi.
Penelitian
ini diharapkan
mendapatkan hasil yang sama dengan desain prototipe sederhana yang dibuat dengan menggunakan sensor ultrasonik. Pencapaian hasil yang didapatkan pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran tentang aplikasi ilmu fisika untuk bidang perminyakan.
6 Ikatan Alumni Teknik Minyak Indonesia
3
1.2
Perumusan Masalah Atas dasar permasalahan yang dipaparkan pada latar belakang, maka
perumusan masalah penelitian ini adalah : 1. Bagaimana cara menghasilkan pulsa suara (sonic) dengan waktu pemicu yang singkat. 2. Bagaimana cara mendapatkan nilai waktu perambatan gelombang sonic atau akustik pada interval formasi batuan. 3. Bagaimana
cara mendesain sensor ultrasonik yang dipasang pada
sebuah probe dengan pemicu waktu. Sehingga pada fokusnya penulis mengajukan sebuah solusi dengan mendesain sebuah prototipe sonic log menggunakan sensor ultrasonik dengan pemicu pulsa menggunakan mikrokontroler ATMEGA 16 untuk menghasilkan selisih waktu penjalaran (∆t) gelombang suara atau akustik pada medium.
1.3
Batasan Masalah Penulis membatasi masalah penelitian ini pada beberapa hal berikut : 1. Desain prototipe sonic log yang digunakan merupakan desain yang sederhana dimana hanya terdapat 1 transmitter dan 2 receiver dan dengan ukuran yang kecil. 2. Frekuensi kerja dari sensor yang digunakan untuk menghasilkan gelombang ultrasonik sekitar 20-40 KHz.
4
3. Hasil yang didapatkan dari perancangan alat ini berupa bentuk gelombang dan nilai interval waktu transit gelombang suara (sonic) atau akustik yang diterima oleh receiver 1 dan 2. 4. Pengujian alat dilakukan pada skala laboratorium untuk mengetahui nilai interval transit time pada skala kecil (tidak digunakan pada formasi batuan secara langsung).
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah membuat sebuah prototipe sonic log
dengan menggunakan sensor ultrasonik yang di picu dengan mikrokontroller ATMEGA 16 untuk mendapatkan interval waktu transit gelombang suara (sonic) atau akustik pada suatu medium padat serta memahami cara kerjanya.
1.5
Manfaat Penelitian 1. Bagi Penulis : a. Memahami proses dan perilaku gelombang ultrasonik yang merambat melalui media. b. Membuat dan menghasilkan suatu desain prototipe yang dapat menghasilkan gelombang ultrasonik yang merambat melalui medium (batuan formasi). 2. Bagi Universitas : a. Sebagai bahan referensi untuk penelitian yang akan datang
5
b. Sebagai
bahan
evaluasi
bagi
universitas
dalam
mengembangkan keilmuan, dalam hal ini yang berkaitan dengan desain dan kontruksi alat. 3. Bagi Instansi dan Umum : a. Sebagai
bahan
pertimbangan
intansi
terkait
untuk
menghasilkan alat yang dapat digunakan di lapangan guna menghasilkan data yang di inginkan.
1.6
Sistematika Penulisan Penulisan penelitian ini dibuat sesuai urutan bab serta isinya yang
secara garis besar dapat diuraikan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Landasan teori berisi teori dasar sebagai hasil dari studi literatur yang berhubungan dengan prinsip kerja alat dan teori perambatan gelombang ultrasonik pada medium serta penjelasan beberapa komponen yang digunakan dalam perancangan alat. BAB III METODE PENELITIAN Pada bab ini akan dijelaskan secara keseluruhan sistem kerja alat dan program penghubung (software dan hardware) yang terlibat.
6
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi tentang cara kerja alat sebagai hasil perancangan sistem. Pengujian akhir dilakukan dengan menyatukan seluruh bagian-bagian kecil dari sistem untuk memastikan bahwa sistem dapat berfungsi sesuai dengan tujuan awal. Setelah sistem berfungsi dengan baik maka dilanjutkan dengan pengambilan data untuk memastikan kapabilitas dari sistem yang dibangun. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bagian ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari pengujian sistem dan pengambilan data selama penelitian berlangsung, selain itu juga memuat saran untuk pengembangan lebih lanjut dari penelitian ini baik dari segi perangkat keras (hardware) dan program (software).
7
BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Sonic log Logging akustik dapat diartikan sebagai rekaman dari deretan gelombang
akustik yang digunakan dalam memperkirakan sifat dasar batuan (porositas)
[5]
.
Log sonik atau akustik mengukur waktu tempuh gelombang akustik yang melalui formasi. Dapat juga digunakan untuk memperoleh kecepatan gelombang akustik yang melalui formasi [7]. Alat sonic atau akustik log ini bekerja pada frekuensi yang tinggi yaitu frekuensi di atas 20.000 Hz (20 KHz) disebut sebagai gelombang ultrasonik
[7]
.
Desain sonic atau akustik logging yang paling umum digunakan adalah dengan menggunakan satu transmitter dan dua receiver yang dipasang dalam satu alat dengan jarak tertentu dengan hanya mengukur gelombang pertama yaitu gelombang kompresi (gelombang longitudinal) [8]. Prinsip perekaman log sonik di tunjukkan pada Gambar 2.1. Sebuah transmitter (Tx) yang berada diatas pada sebuah sonde mentransmisikan gelombang ultrasonik dengan frekuensi diatas 20 kHz yang merambat kedalam formasi batuan dan akan diterima oleh dua detektor yaitu receiver 1 (Rx1) dan receiver 2 (Rx2). Receiver 1 (Rx1) adalah detektor yang letaknya dekat dengan sumber (transmitter) sementara receiver 2 adalah detektor 7 Dr.Paul Glover. Petrophysics MSc Course Note .Sonic (Acoustic) Log 8 Ellis, D.V. 1987. Well Logging for Earth Scientists Elsevier
8
yang letaknya jauh dari sumber (transmitter). Pancaran gelombang pada alat sonic log ini sangat pendek dan memiliki amplitudo tinggi
[7,10]
. Gelombang berjalan
melalui batuan dengan berbagai bentuk yang berbeda dan mengalami dispersi (penyebaran energi gelombang dalam ruang dan waktu) dan atenuasi (kehilangan energi melalui penyerapan energi oleh formasi) [7].
Gambar 2.1. Prinsip perekaman sonic log [9]. Setiap gelombang suara yang ditransmisikan akan menghasilkan lima gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar. 2.2. Contoh Gelombang yang di terima oleh sonic log[7].
9 Crain Petrophysical Handbook
9
Gelombang yang merambat kedalam formasi (medium) yaitu gelombang kompressional (longitudinal wave) dan gelombang transversal (shear wave). Selanjutnya gelombang langsung yang merambat sepanjang sonde dan didalam lumpur (mud arrival), kemudian dua gelombang permukaan yang merambat di sepanjang dinding sumur yaitu gelombang Rayleigh dan gelombang Stoneley. Gelombang yang diterima oleh alat sonic log adalah kombinasi dari berbagai jenis gelombang tersebut. Responsi waktu dari perbedaan penerima (receiver) akan dihitung sebagai waktu tempuh rata-rata. Namun untuk sonic log sederhana yang diinginkan hanya mengukur interval waktu kedatangan pertama dari gelombang kompresi (longitudinal)
[3]
.
Interval waktu antara pengiriman gelombang dan penerimaan kedatangan gelombang kompresi pertama adalah waktu satu arah antara pemancar dan penerima. Jika jarak antara transmitter (Tx) serta receiver 1 dan 2 (Rx) diketahui, maka kecepatan gelombang dalam formasi dapat ditemukan [7]. Dalam prakteknya data sonic log disajikan sebagai waktu penerimaan gelombang sonic oleh receiver atau interval waktu perjalanan per foot (kaki) yang berjalan melalui formasi, yang disebut sebagai delta t (Δt atau ΔT) dan biasanya diukur dalam µs/ft
[7]
. Oleh karena itu kita dapat menulis persamaan konversi
antara kecepatan dan interval waktu transit:
∆ =
(2.1)
dimana keterlambatan atau interval waktu transit (Δt) dalam microsecond per kaki, dan kecepatan dalam V.
10
2.1.1. Tinjauan sifat elastis Melalui tinjauan fisika kecepatan dari gelombang kompresi (gelombang longitudinal) dan gelombang transversal tergantung pada sifat elastis dari batuan (matriks ditambah cairan), sehingga keterlambatan (interval waktu transit) yang diukur bervariasi tergantung pada komposisi dan struktur mikro dari matriks, jenis dan distribusi cairan pori dan porositas batuan[8]. Untuk menghitung kedua jenis perambatan gelombang tersebut, perlu untuk meninjau parameter yang digunakan dalam menggambarkan media elastis yaitu modulus bulk, dan modulus geser. Kecepatan gelombang kompresi (P-wave) dalam suatu material berbanding lurus dengan kekuatan material dan berbanding terbalik dengan kepadatan atau massa jenis material
[7]
. Oleh karena itu, waktu
penjalaran gelombang kompresional dalam suatu material berbanding terbalik dengan kekuatan material dan berbanding lurus dengan densitas bahan, yaitu:
∝
∆ ∝
(2.3)
Kekuatan material didefinisikan oleh dua parameter yang sangat berpengaruh dari tinjauan sifat elastik yaitu modulus bulk, dan moulus geser. [7] Modulus bulk (K) adalah modulus elastik yang mengukur kekuatan benda melawan tekanan yang berhubungan dengan perubahan volume (Gambar. 2.3 a). Jika sejumlah material mengalami tekanan isotropik P1 dan meningkat menjadi sebuah tekanan lain P2. Material tersebut akan mengalami penyusutan volume dari volume awal (v1) ke volume baru (v2) yang lebih kecil. Modulus bulk ini kemudian ditunjukkan oleh persamaan :
=(
)⁄
=
∆ ∆ ⁄
(2.4)
11
dimana ΔP adalah perubahan tekanan, dan Δv adalah perubahan volume. Jadi ΔP adalah perubahan tekanan yang menyebabkan perubahan volume ΔV.
Gambar 2.3 Definisi modulus bulk (a) dan geser (b).[7] Modulus geser (µ) adalah ukuran ketahanan suatu material terhadap tegangan geser (Gambar 2.3 b). Sejumlah bahan mengalami tekanan isotropik P1 dan juga mengalami tegangan geser (non-isotropik tekanan) Ps ke satu sisi sampel [10]
. Materi akan tergeser dengan bentuk yang baru, dan panjang keseluruhan akan
meningkat dari panjang awal l1 ke panjang yang lebih besar l2. Modulus geser ini kemudian dinyatakan dalam bentuk :
=
=
(2.5)
dimana γ adalah regangan geser. Penerapan Ps tegangan geser menyebabkan perkembangan suatu geser strain γ. Analisis terperinci dari kecepatan dan interval waktu transit gelombang kompresi dalam suatu material menunjukkan bahwa:
=
=
untuk padat
untuk cair
(2.6)
(2.7)
12
2.1.2. Desain alat Sonic log
Alat sonic log telah banyak dikembangkan oleh beberapa perusahaan minyak di dunia. Desain tersebut dibuat sesuai dengan keperluan perekaman gelombang yang di inginkan. Alat sonic log pertama dibuat dengan satu transmitter (Tx) dan satu receiver (Rx) dapat dilihat pada Gambar 2.4
[7]
. Alat
ini masih memiliki beberapa masalah, yaitu:
1. Waktu tempuh yang diukur terlalu panjang karena waktu yang dibutuhkan untuk gelombang elastis untuk
melewati lumpur
dimasukkan dalam pengukuran. Waktu yang diukur adalah A + B + C bukan hanya B. 2. Panjang formasi yang dilalui gelombang elastik selalu tidak konstan karena perubahan kecepatan gelombang tergantung pada formasi mengubah sudut pembiasan kritis.
Gambar. 2.4 Alat sonic pertama.[7]
13
Alat yang kedua adalah sonic log dengan dual receiver. Alat ini dirancang untuk mengatasi masalah pada alat pertama
[4]
. Menggunakan dua receiver yang
terpisah beberapa meter, dan mengukur interval waktu kedatangan gelombang elastis pada masing-masing receiver (Rx) dari gelombang yang diberikan dari transmitter (Gambar. 2.5). Waktu yang dibutuhkan untuk gelombang elastis untuk mencapai Rx1: TRx1 = A + B + C Waktu yang dibutuhkan untuk gelombang elastis untuk mencapai Rx2: TRx2 = A + B + D + E The sonic transit time interval: ΔT = (TRx2 - TRx1) = A + B + D + E - (A + B + C) = D + E - C.
Gambar. 2.5. Alat penerima Dual sonic. Secara umum jenis alat sonic log yang digunakan adalah jenis satu transmitter dan dua receiver, dengan jarak receiver 3 kaki (0,914 m) dan 5 kaki (1,524 m) dari transmitter [8].
14
Jenis alat sonic log lain yaitu dengan memasang dua transmitter dan dua Receiver.
T R R T
Gambar 2.6. Sonic log dual receiver dan dual transmitter.[4] Alat ini memungkinkan untuk melakukan perekaman kelima jenis gelombang yang merambat pada dinding lubang bor [4]. 2.2. Gelombang Akustik dan Ultrasonik Gelombang akustik atau gelombang bunyi adalah gelombang yang dirambatkan sebagai gelombang mekanik yang dapat menjalar dalam medium padat, cair, dan gas
[10]
. Gelombang bunyi ini merupakan getaran molekul-
molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun demikian zat tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta mentransmisikan energi bahkan tanpa terjadi perpindahan partikel
[11]
. Apabila gelombang bunyi merambat
10 Sutrisno, 1988.Gelombang Ultrasonik.Fisika ITB 11 Halliday, David and Robert Resnick. Physics. Third Edition. John Wiley & Sons,Inc, 1978
15
mencapai batas permukaan maka gelombang bunyi tersebut akan mengalami transmisi dan refleksi. Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas, hal ini disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi sebagai interaksi dengan medium yang dilaluinya [12]. Gelombang ultrasonik sering dipergunakan untuk pemeriksaan kualitas produksi di dalam industri. Di bidang industri minyak dan kimia gelombang ultrasonik frekuensi tinggi digunakan untuk mengukur besaran-besaran proses antara lain temperature, tekanan, dan rapat masa (density), di bidang instrumentasi dan kontrol gelombang ultrasonik dimanfaatkan untuk mengukur posisi (jarak, tebal), komposisi, dan porositas [13].
2.2.1. Perambatan Gelombang Ultrasonik
Ada dua jenis perambatan gelombang yaitu gelombang longitudinal dan gelombang transversal. Pada gelombang longitudinal, getaran partikel dalam medium sejajar dengan arah rambat. Pada gelombang transversal, arah getar partikel tegak lurus terhadap arah rambatnya. Perambatan gelombang ultrasonik dalam medium gas, cair, dan padat disebabkan oleh getaran bolak-balik partikel melewati titik keseimbangan searah dengan arah rambat gelombangnya. Maka gelombang bunyi lebih dikenal dengan gelombang longitudinal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan
getaran partikel dengan medium amplitude sejajar dengan arah rambat secara 12 Bueche, Frederick. “College Physics, Schaum series”. McGraw-Hill compny,Inc, 1986. 13 Trisnobudi, Amoranto. “Instrumentasi Ultrasonik”.Catatan kuliah. Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2001.
16
longitudinal sehingga menyebabkan medium membentuk rapatan (strain) dan tegangan (stress).
Gambar 2.7. Gelombang longitudinal Proses kontinu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan didalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya [14]. Dalam kasus ini, masing-masing partikel medium dengan panjang dx mengalami gaya (F) yang bekerja pada permukaannya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. dx +
Fx
x
X+dx
Gambar 2.8. Gaya yang terjadi ketika gelombang suara merambat 14 Halliday, David and Robert Resnick. Physics. Third Edition. John Wiley & Sons,Inc, 1978.
17
Gelombang yang merambat dalam medium mematuhi hukum Newton II,
∑
=
(2.8)
dimana : m adalah massa dan a adalah percepatan.
=
+
−
=
(2.9)
Selama gelombang suara merambat, elemen akan berpindah seperti pada Gambar 2.9.
+d
x
x+dx
Gambar 2.9. Pemindahan elemen selama gelombang suara merambat Perubahan panjang elemen karena perambatan gelombang suara dapat dirumuskan sebagai :
=( +
)−
=
(2.10)
dimana rapatan elemen adalah
=
=
(2.11)
18
Untuk menghubungkan rapatan dan gaya pada medium elastis, digunakan hukum Hooke sebagai berikut :
=
(2.12)
dimana : E adalah modulus elastik dan tekanan
dapat ditulis sebagai
=
(2.13)
dimana : F adalah gaya dan A adalah luas permukaan. Kombinasi persamaan (2.11), (2.12), dan (2.13) menghasilkan ⁄
=
(2.14)
⁄
Persmaan (2.14) dapat ditulis :
=
(2.15)
=
(2.16)
Massa dan percepatan elemen dapat ditulis =
(
)
(2.17)
dan
= dimana :
(2.18)
adalah densitas medium dan t adalah waktu.
19
Persamaan (2.8) menjadi :
=
(2.19)
Menyamakan persamaan (2.16) dan (2.19) menghasilkan persamaan transmisi gelombang suara
=
(2.20)
dimana
=
(2.21)
dengan c adalah cepat rambat gelombang suara dalam medium Perambatan ultrasonik dalam medium sebagai gerak harmonik sederhana, maka pemindahan partikel dalam medium adalah sebagai berikut:
= dimana :
(
)
(2.22)
= frekuensi angular, k = / , dan A = Amplitudo.
Gelombang suara merambat dalam medium dengan panjang gelombang , yang dapat ditulis
= =
(2.23)
dimana f adalah frekuensi.
2.3.
Karakteristik Gelombang Ultrasonik
Gelombang ultrasonik memiliki karakeristik tertentu yang saling berkaitan satu sama lain seperti panjang gelombang, frekuensi, dan kecepatan.
20
2.3.1. Panjang Gelombang, Frekuensi, dan Kecepatan Panjang gelombang ( ) adalah jarak yang ditempuh gelombang suara dalam satu getaran. Frekuensi (f) adalah banyaknya gelombang yang bergetar dalam waktu satu detik yang diberi satuan Hertz. Manusia dapat mendengar gelombang suara antara 20 Hz sampai 20 kHz. Gelombang ultrasonik merupakan gelombang suara dengan frekuensi diatas 20 kHz. Periode adalah waktu yang dibutuhkan gelombang menempuh satu panjang gelombang dan sebanding dengan 1/f. Kecepata ultrasonik (v) adalah jarak yang dilalui oleh gelombang persatuan waktu dan sebanding dengan panjang gelombang dibagi dengan periode. Karena periode dan frekuensi berbanding terbalik, maka hubungan antara kecepatan, panjang gelombang, dan frekuensi untuk gelombang ultrasonik adalah :
=
(2.24)
dimana c (m/s) adalah kecepatan gelombang ultrasonik dalah medium,
(m)
adalah panjang gelombang, dan (Hertz) adalah frekuensi.
2.3.2. Energi dan Intensitas Daya adalah energi yang di transfer dan di ekspresikan dalam satuan watt. Intensitas adalah daya yang melewati suatu area tertentu. Intensitas adalah daya per unit area dan diekspresikan dalam satuan watt per meter kuadrat. Intensitas menunjukkan kuantitas energi ultrasonik yang di aplikasikan pada permukaan tertentu dalam material.
21
Jika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, maka partikel medium mengalami perpindahan energi
[15]
. Besarnya energi gelombang
ultrasonik yang dimiliki partikel medium adalah :
=
+
(2.25)
dimana Ep adalah energi potensial (Joule) dan Ek adalah energi kinetik (Joule). Untuk menghitung intensitas gelombang ultrasonik perlu mengetahui energi yang dibawa oleh gelombang ultrasonik. Intensitas gelombang ultrasonik (I) adalah energi yang melewati luas permukaan medium 1 m/s atau watt/m [16]
.Untuk sebuah permukaan, intensitas gelombang ultrasonik (I) diberikan dalam
bentuk persamaan: = 1 2 dimana :
(2
) = 1 2 (
)
(2.26)
adalah massa jenis medium (Kg/m3), f adalah frekuensi (Hz), v adalah
kecepatan gelombang ultrasonik (m/s), V adalah volume (m3), A adalah amplituo maksimum (m), Z adalah impedansi akustik (kg/m.s), dan
adalah frekuensi
sudut (rad/s). Gelombang ultrasonik merambat membawa energi dari suatu medium ke medium lainnya. Energi yang dipindahkan sebagai energi getaran dari partikel ke partikel pada medium tersebut. Besarnya energi yang dibawa partikel tersebut adalah :
15
Giancoli, Douglas C. Physics (Principles With Application). Fifth Edition. Prentice-Hall International, Inc, 1998.
16 Cameron and Skofronick, “Fundamental of Acoustic. McGraw-Hill, Inc, 1978.
22
= 1 2 Nilai
⁄
=4
=4
, maka :
(2.27)
=2 Jika nilai
=
=
=
, maka didapat :
= 2
(2.28)
dimana : T = Periode (s) A = amplitudo gerak (m) m = massa partikel pada medium (kg) V = volume = luas x tebal = S x l (m3) S = luas permukaan penampang yang dilalui gelombang (m) l = v t = jarak yang ditempuh gelombang dalam waktu t (m), v = laju gelombang (m/s), t = waktu (s). Dari persamaan di atas diperoleh hasil bahwa energi yang dibawa oleh gelombang ultrasonik sebanding dengan kuadrat amplitudo. Besarnya daya yang dibawa gelombang ultrasonik (P) menjadi : =2
(2.29)
Intensitas gelombang ultrasonik adalah daya yang dibawa melalui luas permukaan yang tegak lurus terhadap aliran energi, maka : =2
(2.30)
23
Persamaan di atas menyatakan hubungan secara eksplisit bahwa intensitas gelombang ultrasonik sebanding dengan kuadrat amplitudo (A) dan dengan kuadrat frekuensi (f). Gelombang ultrasonik yang keluar dari sumber transduser mengalir ke semua arah. Gelombang ultrasonik merambat keluar, energi yang dibawanya tersebar ke permukaan yang makin lama semakin luas. Karena merambat dalam arah tiga dimensi, maka luas permukaan merupakan luasan permukaan bola dengan radius r adalah 4 π r2. Berarti intensitas gelombang ultrasonik menjadi : =
=
(2.31)
Jika keluaran daya P dari sumber konstan, maka intensitas berkurang sebagai
kebalikan dari kuadrat jarak dari sumber, sehingga :
=
(2.32)
Jika kita ambil dua titik dengan jarak r1 dan r2 dari sumber, maka I1 = P/4 π r12 dan I2= P/4 π r22, sehingga :
=
(2.33)
Jika amplitudo gelombang ultrasonik berkurang terhadap jarak, maka amplitudo gelombang ultrasonik menjadi mengecil sebesar 1/r karena intensitas sebanding dengan amplitudo maka akan sebanding dengan kebalikan dari kuadrat jarak, sehingga : = 1
(2.34)
Jika kita ambil dua jarak yang berbeda dari sumber trasduser, r1 dan r2 maka :
24
=
(2.35)
Ketika gelombang ultrasonik dua kali lipat lebih jauh dari sumber transduser, maka amplitudo akan menjadi setengahnya [15]. Intensitas relatif diGambarkan dalam satuan decibel (dB) sebagai
= 10
(2.36)
2.4. Interaksi Gelombang Ultrasonik dengan Materi
Gelombang ultrasonik mempunyai sifat memantul (Refleksi), diteruskan (Transmisi), dan diserap oleh suatu medium. Interaksi gelombang ultrasonik dengan medium mempengaruhi sinyal yang di terima oleh receiver.
2.4.1. Impedansi Akustik
Impedansi akustik suatu materi di definisikan sebagai perkalian antara rapat jenis ( ) dan kecepatan gelombang akustik (V).
Z=
xV
dimana : Z adalah impedansi akustik (kg/m2 s),
(2.37) adalah massa jenis (kg/m3) dan V
adalah laju gelombang (m/s). Ketika medium yang berdekatan memiliki impedansi akustik yang hampir sama, hanya sedikit energi yang di refleksikan. Impedansi akustik memiliki peran menetapkan transmisi dan refleksi gelombang di batas antara medium yang memiliki impedansi akustik yang berbeda seperti pada Gambar 2.10.
25
Incident Pulse
Reflected Pulse
Z1 Z2
Transmitted Pulse
Gambar 2.10. Interaksi ultrasonik dalam dua medium
2.4.2. Atenuasi
Ketika gelombang suara melewati suatu medium, intensitasnya semakin berkurang dengan bertambah kedalaman. Hal yang menyebabkan pelemahan gelombang adalah proses refraksi, hamburan, dan absorpsi. Absorpsi adalah penyerapan energi suara oleh medium dan diubahnya menjadi energi bentuk lain. Hal ini menyebabkan pulsa ultrasonik yang bergerak melewati suatu zat akan mengalami kehilangan energi. Besarnya energi yang di absorpsi sebanding dengan koefisien pelemahan dan tebalnya medium yang di lalui. Setiap medium memiliki koefisien pelemahan yang bereda-beda. Semakin kecil koefisien pelemahan maka semakin baik medium itu sebagai media penghantar. Penyerapan energi gelombang ultrasonik akan mengakibatkan berkurangnya amplitude gelombang ultrasonik. Atenuasi berguna untuk menjelaskan fenomena berkurangnya intensitas gelombang ultrasonik. Besar amplitude setelah mengalami atenuasi adalah:
26
A = A0 e-αz
(2.38)
Dimana A0 adalah amplitudo awal. Amplitudo (A) adalah amplitudo terreduksi setelah gelombang berjalan dengan jarak sejauh z. α adalah koefisien atenuasi. Secara umum atenuasi sebanding dengan kuadrat frekuensi gelombang.
Gambar 2.11. Interaksi ultrasonik dengan medium yang menyebabkan atenuasi
2.4.3. Refraksi
Ketika gelombang ultrasonik melalui dua medium yang berbeda dengan sudut tertentu maka gelombang ultrasonik mengalami refraksi. Refraksi adalah perubahan arah gelombang ultrasonik yang ditransmisikan pada batas antara medium yang berbeda ketika berkas gelombang tidak datang tegak lurus terhadap batas medium. Refraksi terjadi pada dua medium yang memiliki perbedaan impedansi akustik.
Hukum Snell menggambarkan hubungan antara sudut (sudut datang dan sudut bias) dan kecepatan gelombang. Persamaan hukum Snell menggambarkan perbandingan antara kecepatan gelombang di medium pertama (VL1) dan
27
kecepatan gelombang di medium 2 (VL2) dengan sinus sudut datang (θ1) dan sinus sudut bias (θ2)
VL1 θ1
θ2
VL2
Gambar 2.12. Refraksi
Untuk sudut yang datang dan transmisi, maka :
=
(2.39)
Ketika VL2 > VL1, sudut transmisi lebih besar dari pada sudut datang dan sebalikanya jika VL2 < VL1, tidak ada refraksi yang terjadi ketika ketika kecepatan suara sama dalam dua medium atau dengan gelombang datang yang tegak lurus. 2.4.4. Hamburan Peristiwa hamburan yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berinteraksi dengan batas antara dua medium. Jika batas dua medium relatif rata, maka pulsa ultrasonik dapat disebut dengan specular reflection (seperti pemantulan pada cermin) dimana semua pulsa ultrasonik akan dipantulkan ke arah yang sama. Permukaan yang tidak rata menyebabkan gelombang echo dihamburkan ke segala arah seperti pada Gambar 2.13 (a). Hamburan juga terjadi dalam medium yang
28
heterogen seperti pada Gambar 2.13 (b). Hamburan ke segala arah ini menyebabkan hanya sedikit gelombang echo yang ditangkap kembali oleh tranduser dan akan berperan dalam menampilkan gelombang dan citra.
(a)
(b)
Gambar 2.13. Hamburan : (a) pada batas dua medium ; (b) pada medium heterogen 2.4.5. Refleksi Apabila gelombang ultrasonik mengenai permukaan antara dua medium yang memiliki perbedaan impedansi akustik (Z), maka sebagian dari gelombang ultrasonik
ini
akan
direflesikan/dipantulkan
dan
sebagian
lagi
akan
ditransmisikan/diteruskan. Pulsa yang mengenai medium akan direfleksikan dan ditangkap oleh receiver untuk diolah menjadi kombinasi gelombang pantul. Refleksi yang sangat kuat terjadi pada batas medium dan dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik suatu material. Energi ultrasonik yang direfleksikan pada perbatasan antara dua media terjadi karena perbedaan dari impedansi akustik dari kedua.
29
Gambar 2.14. Transmisi dan refleksi (Cameron and Skofronicck, 1978) : A0 adalah amplitudo gelombang ultrasonik mula-mula, R adalah amplitudo gelombang ultrasonik yang dipantulkan, dan T adalah amplitudo gelombang ultrasonik yang ditransmisikan.
Proses perjalanan gelombang ultrasonik adalah sebagai berikut, mula-mula gelombang ultrasonik dengan amplitudo tertentu mengenai medium, kemudian gelombang ultrasonik tersebut akan dipantulkan. Perbandingan amplitudo pantulan (R) terhadap amplitudo datang (Ao) bergantung pada impedansi akustik (Z) dari dua medium itu. Hubungan pernyataan itu adalah :
=
(2.40)
dengan Z1 dan Z2 adalah impedansi akustik dari kedua medium (kg/m2s). Telah dikemukakan di atas bahwa gelombang ultrasonik sebagian akan ditransmisikan. Perbandingan antara amplitudo transmisi (T) dan amplitudo gelombang datang (Ao) adalah :
30
=
(2.41)
Koefisien intensitas pantulan, RI, didefinisikan sebagai perbandingan dari intensitas pantulan dan intensitas yang datang :
=
=
(2.42)
dan koefisien intensitas transmisi adalah :
=
=
(
)
(2.43)
Pada medium yang lunak, hanya sebagian kecil pulsa yang direfleksikan. Untuk medium yang keras, energi yang direfleksikan sangat besar. Amplitudo pulsa dilemahkan oleh adanya absorbsi medium dan energi yang direfleksikan. Hal ini menyebabkan gelombang echo yang dikirimkan kembali ke transduser sangat kecil dibandingkan dengan pulsa awal yang dihasilkan transduser.
2.5. Pengertian Sensor dan Transduser
Sensor adalah alat untuk mendeteksi atau mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroller sebagai otaknya.
31
Sedangkan Transduser adalah alat yang mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk lain, yang merupakan elemen penting dalam sistem pengendali. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, Transduser Input dapat dikatakan bahwa transduser ini akan mengubah energi non-listrik menjadi energi listrik. Kedua, Transduser Output adalah kebalikannya, mengubah energi listrik ke bentuk energi non-listrik. Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu: a. sensor thermal (panas) b. sensor mekanis (suara, getar) c. sensor optik (cahaya) [17].
2.5.1 Transduser ultrasonik Transduser adalah adalah piranti yang dapat mengubah suatu bentuk energi kedalam bentuk energi lain. Transduser ultrasonik untuk merubah suatu sinyal listrik kedalam energi suara ultra yang dapat dipancarkan kedalam medium, mengubah energi ultrasonik yang dipantulkan kembali dari medium ke dalam sinyal listrik [18]. Pada sistem elektronik, gelombang ultrasonik dapat dibangkitkan melalui kristal tipis yang bersifat piezoelektrik terbuat dari bahan alami kuarsa, garam rochelle, tourmaline atau bahan piezoelektrik buatan, misalnya: Barium Titanate, Lead Circonate-titanate, Lead Metaniobate. Bahan tersebut bersifat seperti 17 William De Cooper, 1994, “Instrumetasi Elektronik Dan Teknik Pengukuran” Terjemahan Ir.Sahat Pekpahan, Erlangga : Jakarta 18 Curry T.S, 1984, Introduction to the Physics of Diagnostic Radiology, Third Edition Lea & Febiger, Philadelphia USA
32
kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu yang memiliki perbedaan muatan listrik dalam lapisannya. Penggunaan gaya perubahan bentuk atau tegangan pada kristal asimetris akan menciptakan suatu tegangan listrik, fonemena ini disebut dengan efek piezoelektrik. Ketika transduser piezoelektrik berfungsi sebagai pemancar (transmitter) akan mengubah energi listrik menjadi energi mekanis (efek piezoelektrik terbalik), dan bila sebagai penerima (receiver) maka akan mengubah energi mekanis menjadi energi listrik (efek piezoelektrik). Ditunjukkan pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15. Efek Piezoelektrik Untuk membangkitkan gelombang ultrasonik, bahan tersebut digetarkan oleh rangkaian osilator. Pola radiasi yang dipancarkan melalui tranduser yang berada
didepannya
tergantung
pada
diameter
transduser
dan
panjang
gelombangnya sehingga transduser yang sama dapat memiliki pola radiasi yang berlainan jika medium yang dilalui juga berlainan. Pola radiasi suatu transduser ultrasonik merupakan gabungan antara gelombang bidang datar (bergerak hanya ke satu arah) dan gelombang bola seperti ditunjukkan Gambar 2.16.
33
Gambar 2.16. Pola radiasi gelombang ultrasonik [19] Sensor yang digunakan adalah jenis piezoelectric (PZT-4) yang biasa digunakan untuk range finder pada robot. Sensor ini berfungsi sebagai transmitter dan receiver secara terpisah dan merupakan jenis sensor yang mudah didapatkan. Sensor ultrasonik yang digunakan memiliki frekuensi resonansi 40 KHz ± 1 KHz, artinya hanya dapat bekerja menghasilkan gelombang ultrasonik 40 KHz apabila diberi tegangan dengan frekuensi 40 KHz.
Gambar 2.17. Sensor Ultrasonik Tipe sensor yang digunakan memiliki karakteristik sebagai berikut :
19 Agus Syafrudin. 2008. Rancang Bangun Generator Gelombang Gelombang Ultrasonik dan Implementasinya untuk Pengukuran Jarak Antara Dua Obyek Jurusan Fisika FMIPA UNDIP
.
34
Tabel 3.1. Karakteristik sensor ultrasonik No.
Item
Parameter 40 KHz ±1KHz
1.
Working Frequency (fr) 200 KHz±3 KHz
2.
Material
PZT-4 40 KHz 150
3.
Beam Width (-3dB) 200 KHz 50 Parallel Impedance (in
4.
600±30% water) (ohm)
5.
Static Capacitancy (pf)
2700±15%
2.5.2. Prinsip Kerja dan Sifat Transduser ultrasonik
Prinsip kerja ultrasonik memanfaatkan hasil pemantulan (refleksi) atau pembelokan (refraksi) dari sebuah gelombang gelombang ultrasonik yang di transmisikan pada material tertentu. Gelombang suara frekuensi tinggi dikirimkan kedalam medium dan akan di pantulkan kembali ketika sampai pada batas medium yang berbeda. Perilaku gelombang ultrasonik dapat mengalami refleksi, refraksi, dan absorpsi pada suatu medium tergantung dari sudut yang dibentuk pada saat gelombang di transmisikan. Echo atau pantulan dari gelombang ultrasonik kemudian di deteksi dengan transduser yang mengubah gelombang akustik ke sinyal elektronik untuk diolah dan ditampilkan.
35
2.6
Mikrokontroller AVR ATmega16
Mikrokontroler adalah single chip komputer yang memiliki kemampuan untuk diprogram dan digunakan untuk tugas-tugas yang berorientasi control
[20]
.
Mikrokontrol AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) merupakan jenis chip cerdas yang termasuk dalam keluarga Atmel dengan arsitektur RISC (Reduced Instructions Set Computer) yaitu prosesor memilki set instruksi program yang lebih sedikit dibandingkan dengan MCS-51 yang menerapkan arsitektur CISC ( Complex Instructions Set Computer) [21]. AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel,berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer)
[20]
. Hampir semua instruksi
dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM internal.AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam system menggunakan hubungan serial SPI. ATMega16. ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses [20].
20 Mokh.Sholihul Hadi.2008. Mengenal Mikrokontroller AVR ATmega 16. Komunitas eLearning IlmuKomputer.
21 Ted Van Sickl. 2001. Programming Microcontrollers in C. 2nd Ed. LLH Technology Publishing
36
Gambar 2.18. Blok Diagram AVR ATMEGA16 [20]
Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain: 1. Advanced RISC Architecture
130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution
32 x 8 General Purpose Fully Static Operation
Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
37
On-chip 2-cycle Multiplier
2. Nonvolatile Program and Data Memories
8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash
Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits
512 Bytes EEPROM
512 Bytes Internal SRAM
Programming Lock for Software Security
3. Peripheral Features
Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Mode
Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes
Real Time Counter with Separate Oscillator
8-channel, 10-bit ADC
4. Special Microcontroller Features
Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
Internal Calibrated RC Oscillator
External and Internal Interrupt Sources
Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown, Standby and Extended Standby
5. I/O and Package
32 Programmable I/O Lines
40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF
38
6. Operating Voltages
2.7 - 5.5V for Atmega16L
4.5 - 5.5V for Atmega16
Gambar 2.19. Pin-pin ATMega16 kemasan 40-pin [14]
Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package) ditunjukkan oleh Gambar 1. Guna memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data) [20]. Bahasa pemrogaman yang digunakan untuk membangun system kerja mikrokontrol ATMEGA sangat bervariasi diantaranya C-AVR, C++, Studio 4 dan BASCOM-AVR dengan setiap bahasa pemrograman memiliki keunggulan
39
masing-masing
[15]
.CODEVISION-AVR
merupakan
bahasa
pemrograman
mikrokontroler yang dibangun menggunakan bahasa C. Proses pen-download-an program yang disusun kedalam mikrokontrol dapat dilakukan mengguanakan software tambahan yaitu AVR OSP II 22.
22 Iswanto. 2008. Mikrokontroler ATMEGA 8535 dengan Bahasa Basic.Yogyakarta: Gava Media
40
BAB III METODE PENELITIAN
3.1.
Waktu Dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan selama 6 bulan dimulai dari bulan Juni sampai November 2011. Sedangkan tempat dilakukannya perancangan alat dan analisa datanya di Gd. Eksplorasi 3 Lemigas dan Laboratorium Fisika UIN Jakarta.
3.2.
Peralatan Dan Bahan Penelitian
Alat yang dgunakan dalam pembuatan prototipe alat sonic log ini meliputi: Osiloskop
Digital
untuk
display bentuk gelombang Personal
Computer
(PC)
untuk memprogram
Mesin bor Obeng Alat bubut Multimeter
Solder dan sucker.
Downloader usb ISP
Tang
Konektor
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :. Mikrokontroler ATMEGA16. 3 Tranduser Ultrasonik.
IC (4049, IC CA3140, dan IC Reg 7805-7812)
LCD 16x2
Dioda 1N4148.
Box rangkaian
Potensiometer Kabel penghubung.
Resistor
Transformator CT 1 ampere
Kapasitor
PCB dan Fericloride
Switch
Transistor
Pin head.
Alumunium diameter 24 mm
Software yang diperlukan dalam desain prototipe ini diantaranya: Code Vision AVR
Multisim 10.0
Eagle
Downloader AVR OSP II
Alat dan bahan tersebut merupakan alat dan bahan yang digunakan untuk merancang, mendesain dan mensimulasikan hasil perancangan yang telah dibuat.
3.2.
Tahapan Penelitian Tahapan penelitian yang dilakukan dalam perancangan desain prototipe
sonic log ini meliputi persiapan alat dan bahan, membuat simulasi rangkaian pembangkit dan penguat ultrasonik, pembuatan sistem mekanik dan modul elektronik rangkaian, pembuatan program, integrasi elektronik dan mekanik, pengujian prototipe serta analisis bentuk gelombang. Secara garis besar tahapan penelitian telah dirangkum dalam flowchart yang disajikan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian
Dari diagram di atas terlihat bahwa penelitian ini diawali dengan studi literatur yang dilakukan untuk memperoleh gambaran dan landasan teori mengenai desain prototipe sonic log yang akan dirancang serta hardware yang akan digunakan. Persiapan alat dan bahan terdiri dari pemilihan komponenkomponen elektronika seperti resistor, papan PCB, IC (4049, CA3140, 78057812) , Potensiometer dan alat-alat pendukung seperti multimeter, kabel dan sebagainya. Langkah berikutnya yaitu perancangan desain mekanik sonic log yang ukuran dan jarak antara transmitter dan receiver lebih kecil dari ukuran alat sebenarnya disesuaikan dengan kemampuan transmisi dan sensitivitas sensor ultrasoniknya. Selanjutnya dilakukan simulasi dan perancangan rangkaian yang terdiri dari rangkaian pembangkit ultrasonik, rangkaian penguat gelombang ultrasonik, rangkaian catu daya, rangkaian Mikrokontroler dan rangkaian LCD serta pembuatan list program (source code) dengan menggunakan bahasa C pada program Code Vision AVR, yang telah disesuaikan dengan Mikrokontrolernya untuk menjalankan perintah sesuai dengan terget yang diharapkan. Tahap selanjutnya adalah pengujian rangkaian dan sistem yang telah dibuat untuk mengetahui apakah rangkaian telah berjalan sesuai dengan perintah yang diinginkan. Setelah itu dilakukan pengujian terintergrasi sistem mekanik, elektronik dan software dengan perambatan media awal pada dinding serta diamati bentuk gelombang yang diterima oleh dua receiver. Hasil yang diharapkan pada pembuatan alat ini berupa bentuk gelombang dan nilai interval waktu transit (∆ ) gelombang sesuai dengan literatur yang ada.
Gambar.3.2. Bentuk gelombang yang diterima receiver
3.4.
Diagram Blok Dan Cara Kerja
Untuk lebih memudahkan proses pembuatan dan cara kerja masing-masing rangkaian maka akan dibuat suatu diagram blok yang menunjukkan keterkaitan suatu sistem elektronik dengan kontrolingnya. Diagram Blok rancangan alat yang akan dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Rangkaian Pembangkit dan Penerima (penguat) Ultrasonik
Transmitter
OSILOSKOP
Tampilan
Data RX1
Sinyal dari dan ke Sensor / transduser
Data RX2
MIKROKONTROLLER Di program oleh PC
Gambar 3.3 Diagram Blok
Transduser Ultrasonik
Blok diagram tersebut menunjukkan bahwa pusat pengendalian semua proses adalah Mikrokontroller ATmega 16, dan hasil output dari mikrokontroller ditampilkan pada osiloskop. Selain itu juga mikrokontroller berfungsi sebagai pemicu rangkaian pembangkit ultrasonik dan mengontrol output yang telah dikuatkan oleh rangkaian penguat ultrasonik. Pemasangan transmitter dan dua receiver ultrasonik di sesuaikan dengan sudut dimana keseluruhan pancaran gelombang yang merambat pada medium dapat di terima seluruhnya oleh receiver. Dengan kata lain hanya sedikit terjadi pantulan gelombang. Setelah gelombang diterima oleh kedua receiver maka mikrokontroller
akan
mengolah output
kedua receiver sehingga dapat
menampilkan hasil interval waktu transit gelombang pada kedua receiver dan bentuk gelombang yang diterima pada osiloskop. Sudut yang dibentuk antara permukaan sensor dengan medium disesuaikan dengan memperkirakan sedikit terjadinya pantulan. Perancangan sistem hardware telah di rangkum pada Gambar 3.4 . Dua hal utama yang membangun sistem sesuai dengan gambar adalah perangkat keras (Hardware) dan perangkat lunak (Software), dimana keduanya saling mendukung satu sama lain. Perangkat lunak akan mengendalikan semua proses yang akan dilakukan oleh perangkat keras dan akan mengolah semua informasi yang di dapat oleh perangkat keras. Untuk itu dalam pengerjaanya sistem akan dibuat dua bagian besar yaitu perancangan hardware (meliputi desain mekanik dan elektronik) dan perancangan software.
Memicu pulsa (timer)
Rangkaian transmitter
Mengolah waktu penerimaan Rx1 dan Rx2
Rangkaian penguat Rx1 dan Rx2
Gambar 3.4. Gambaran umum rancangan hardware
3.5. Perancangan Hardware Pada perancangan hardware ini yaitu meliputi perancangan mekanik (casing dan sonde), perancangan rangkaian pembangkit ultrasonik, rangkaian penguat ultrasonik, perancangan modul LCD, dan perancangan kontrolling.
3.5.1. Perancangan Mekanik
Dalam perancangan mekanik ini telah dibuat desain dan gambaran alat dengan ukuran yang telah di sesuaikan dengan sistem kerja dan sensitivitas sensor, yang ditunjukkan oleh Gambar 3.5.
35 cm
10 cm 17 cm
a
b
Gambar 3.5. (a) desain sonde (b) desain casing sensor Bahan yang digunakan untuk membuat casing dan sonde adalah alumunium dengan diameter 24 mm dan 39 mm serta panjang yang telah di tentukan. Bahan alumunium tersebut kemudian dibentuk dan dipotong sedemikian rupa dengan ukuran yang telah di desain dengan menggunakan mesin bubut.
Gambar 3.6. Mesin bubut dan bahan alumunium
3.5.2 Perancangan Rangkaian Pembangkit Gelombang Ultrasonik
Rangkaian pembangkit ultrasonik dibuat untuk membangkitkan sensor ultrasonik yang berfungsi sebagai pemancar (transmitter). Rangkaian ini dibuat secara sederhana dengan menggunakan IC 4049 yang di kombinasikan dengan rangkaian RC sehingga memperoleh hasil frekuensi yang sesuai dengan karakteristik sensor ultrasonik yang digunakan. Rangkaian yang akan dibuat sebelumnya telah di simulasikan dengan menggunakan software Multisim dan teruji menghasilkan pulsa kotak dengan range frekuensi 36 - 42 kHz. Frekuensi yang di hasilkan dapat di tentukan dengan mengkombinasikan ukuran resistor dan kapasitor. Rangkaian yang dibuat pada dasarnya tidak bisa menghasilkan pulsa dengan frekuensi fix 40 kHz, oleh karena itu di tambahkan potensio untuk mengkombinasikan frekuensi yang di hasilkan (sekitar 40 kHz).
5 R3 10kΩ 50% Key=A R1 18kΩ
Tx C1 1uF
4 R2 4.7kΩ
3
1 U1B
U1A 2
4049BD_15V
4049BD_15V Q1
Mikrokontroller
7
R4
6
1kΩ BD139 0
Gambar 3.7. Rangkaian pembangkit ultrasonik
3.5.3. Perancangan Rangkaian Penguat Gelombang Ultrasonik Gelombang yang diterima oleh transduser penerima ultrasonik (receiver) sangat kecil, oleh karena itu dibutuhkan suatu penguat yang dapat menguatkan sinyal ultrasonik tersebut agar dapat di analisa pada tampilan osiloskop. Rangkaian penguat tersebut dibuat dengan menggunakan IC CA 3140 yang merupakan IC Op-amp. Rangkaian penguat berintikan dua IC op-amp CA3140, sebuah IC yang memiliki input mosfet yang memiliki impedansi tinggi. Impedansi ini sangat berguna dalam penguatan sinyal yang kecil seperti transduser ultrasonik ini. Penguatan dilakukan dua tingkat. Penguatan pertama dilakukan oleh IC1 sebesar R3/R1 kali (100 kali). Penguat an ke dua dilakukan oleh IC2 sebesar R7/R4 (10 kali). Maka penguatan total dari dua Op-amp tersebut adalah 1000 kali. Selanjutnya, dari hasil penguatan dilakukan filterisasi dengan filter frekuensi rendah (low pass filter) dengan menggunakan kapasitor C dioda IN4148 yang
sekaligus berfungsi sebagai penyearah sinyal yang diterima. Akibatnya sinyal yang diterima hanya aktif pada sinyal setengah gelombang pada simetri atas. Pada sistem pengukuran pulsa ultrasonik, sinyal yang diterima dibawa kembali ke bentuk pulsa gelombang kotak dengan level tegangan digital 5 volt. Hal ini didasarkan pada sistem pengolahan sinyal untuk pengukuran jarak antara dua obyek yang menggunakan perangkat digital mikrokontroler. Rangakaian tersebut dapat dilihat pad gambar berikut :
VCC 12V
R2
R4
1MΩ
Rx
C2
R1
1
4
2
U1A
2
7
R5 VCC 10kΩ
4
U1B C3
6
10kΩ
1nF
100kΩ 3
1
0
4
9
7
3 8
R3 10kΩ
5
C5 CA3240AE 1nF
8
D1 1N4148
1nF CA3240AE
Out 8
0 5
0
C1 1nF 0
6
D2 1N4148
C4 1nF
R6 10kΩ R7 10kΩ
0
0
Gambar 3.8. Rangkaian penguat ultrasonik
3.5.3. Rangkaian LCD LCD dipakai untuk menampilkan data interval transit time kedua receiver yang di proses oleh mikrokontroler yang telah menghitung waktu pemancaran pulsa hingga penerimaan pulsa oleh kedua receiver. Data tersebut telah di olah
0
oleh mikrokontroller dengan mnegurangkan waktu pemancaran pulsa dengan waktu penerimaan gelombang pada dua receiver. Hal ini tentu saja dapat membantu penampilan data pada osiloskop. LCD yang digunaka berkarakter 16 x 2, dimana LCD yang dipakai mempunyai 16 kolom dan 2 buah baris dengan background berwarna putih terang dan karakter putih. LCD tersbut memiliki beberapa pin yaitu pin RS, R/W, Enable, Db – Db7 serta pin untuk supplai dan mengatur contrast dan backlight. LCD tersebut dipasang terintegrasi dengan port serial dan control contrast dan backlight yang dibuat dalam satu board.
Gambar 3.9. Rangkaian LCD 16x2
3.5.4. Perancangan program mikrokontroller
Mikrokontroller yang digunakan adalah mikrokontroller Atmega 16. Program dirancang sesuai dengan sistem yang diharapkan. Pada rancangan ini mikrokontroller digunakan untuk memicu pulsa ultrasonik dengan delay waktu
tertentu sehingga dapat di terima oleh kedua receiver, selanjutnya data kedua receiver tersebut di olah sebagai waktu kedatangan. Mikrokontroller telah melakukan counting waktu dari saat pengiriman sinyal. Data waktu tersebut kemudian dipanggil dan dilakukan pengurangan terhadap waktu penerimaan dan hasilnya ditampilkan pada LCD. Perancangan program telah dirangkum dalam flowchart pada Gambar 3.10. Untuk memudahkan pengolahan data pada mikrokontroller maka ketiga sistem yang diinginkan diolah pada port yang berbeda pada mikrokontroller yaitu Port C untuk LCD, Port A untuk triger pengiriman pulsa, dan Port B untuk pengolahan dua receiver. Pada perancangan software ini digunakan bahasa pemprograman C dengan software compiler menggunakan Code Vision AVR . Program utama bertugas membaca nilai hasil pengurangan waktu pada saat pengiriman pulsa sampe penerimaan.
Start
Inisialisasi : - Port - Lcd - timer
Tampilan LCD “ Prototype Sonic Log”
Wait ms
Picu Ultrasonik Set Port A.0 = 1 Nyalakan timer
Tunda 1 detik
Wait ms
Siapkan Port B untuk dua receiver
If Port B.0 dan B.1 menerima pulsa (logika high) Hitung
P.B.0 =1 ? P.B.1 =1 ? Hitung B.1 -B.0
Tampilkan pada LCD
Gambar 3.10. Program Mikrokontroller
3.6.
Pengujian Alat
Pengujian alat dilakukan untuk memastikan apakah seluruh komponen pendukung yaitu Instrument elektronik, mekanik dan kontrolling telah siap untuk di gunakan. Pada pengujian ini dilakukan beberapa tahap pengamatan yaitu :
1. Menganalisis pulsa (gelombang) rangkaian transmitter apakah sudah tepat pada frekuensi yang di inginkan. 2. Memastikan rangkaian penerima dengan cara membuat sistem transmisi secara kontinu pada rangkaian untuk mengetahui respon sensor. 3. Menganalisa bentuk gelombang pemicu mikrokontroller. 4. Melihat gelombang yang ditransmisikan setelah di picu menggunakan mikrokontrller. 5. Melihat dan menganalisis bentuk gelombang yang di terima oleh kedua receiver. Pengujian dilakukan pada skala laboratorium dengan media transmisi berupa dinding dengan jarak transmisi ke media sekitar 1-5 cm. Pengujian alat ini dilakukan untuk mengetahui respon awal dari gelombang yang diterima oleh kedua receiver dengan mnganalisa interval waktu kedatangannya.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Sonic log Prototype Sonic log telah dibuat dengan desain mekanik dan elektronik yang telah dirancang sebelumnya dengan ukuran yang disesuaikan. Penyesuaian ukuran didasarkan pada kondisi pengujian dan karakteristik sensor ultrasonik yang digunakan. Berikut desain mekanik dan hasil alat Sonic log yang telah dibuat.
Sonde Prototype Sonic log
Transmiter Sensor Ultrasonik (Tx dan Rx)
35 cm
10 cm
17 cm Rangkaian Tx dan Rx Multimeter Mikrokontroller
Receiver 1
Receiver 2 Display Osiloskop
Box rangkaian
(a) Desain awal
(b) Realisasi Gambar 4.1 Sonic log
56
Pengujian prototipe dilakukan pada skala laboratorium dengan kondisi sederhana yaitu transmisi pada media dinding dengan jarak transmisi ke media dinding yaitu sekitar 1-5 cm. Dari pengujian tersebut dihasilkan nilai interval waktu transit gelombang ultrasoni pada kedua receiver sebesar 550 µs. Nilai tersebut dapat dilihat pada analisa respon gelombang yang diterima oleh kedua receiver pada osiloskop, dimana osiloskop di setting time/div 500 µs artinya setiap kotak mewakili 500 µs. Nilai tersebut juga di display pada LCD dengan kontrol menggunakan mikrokontroller dengan hasil yang sedikit berbeda yaitu 558 µs. Ketika pulsa mulai di transmisikan maka mikrokontroller mulai menghitung dan ketika mendapat respon dari kedua receiver, counter mulai berhenti dan kemudian hasilnya dikurangkan, waktu penerimaan R2 dikurangi waktu penerimaan R1. Bentuk gelombang dan display nilai travel time yang ditampilkan merupakan nilai pada jarak 5 cm. Pembacaan data interval transit time (DT) gelombang ultrasonik dilakukan dengan mengkontrol hasil output respon dari kedua receiver. Output receiver dibuat seolah memiliki tegangan fix ketika mendapat respon yaitu 3 volt ketika mendapat respon (logika high) dan 1,5 volt ketika tidak ada respon (logika low). Hal
ini
untuk
mikrokontroller.
memudahkan Ketika
pulsa
pengolahan
output
ditransmisikan
dengan
maka
menggunakan
secara
otomatis
mikrokontroller akan melakukan counting (penghitungan) dan selanjutnya ketika receiver 1 mendapat respon maka counter akan mati dan menyimpan data timer, hal yang sama dilakukan dengan delay tertentu untuk receiver 2, selanjutanya data
57
timer kedua receiver dikurangkan receiver 2 dikurangi receiver 1 kemudian hasilnya di display pada lcd 16x2 Gambar 4.2.
LCD
ATMEGA 16
Gambar 4.2. Tampilan interval transit time Mikrokontroller yang digunakan yaitu jenis ATmega 16 dan di program menggunakan bahasa C pada software Code Vision AVR, listing program secara lengkap ditunjukkan pada Lampiran 2. Mengingat frekuensi kerja pada rangkaian osilator harus di sesuaikan dengan respon dan sensitivitas dari sensornya. Maka untuk mendapatkan frekuensi kerja yang efektif dilakukan pengujian alat dengan menentukkan jarak antara kedua receiver dengan transmitter tidak terlalu jauh. Rangkaian osilator yang dibuat tidak semata-mata menghasilkan frekuensi 40 kHz dikarenakan kombinasi RC pada rangkaian harus di sesuaikan dengan komponen yang ada di pasaran. Setelah dilakukan beberapa tahapan maka didapat range frekuensi antara 33- 42 kHz. Kemudin dilakukan pengujian untuk mengambil data frekuensi yang efektif dengan jumlah pulsa yang sama yaitu 6 pulsa
58
Tabel 4.1. Pengujian frekuensi efektif Pengujian
Frekuensi (KHz)
Amplitude (mV)
1.
33
221
2.
34
890
3.
35
1016
4.
36
1343
5.
37
1454
6.
38
1500
7.
39
1356
8.
40
795
9.
41
241
10
42
113
Dapat dilihat grafik pulsa ultrasonik yang efektif terhadap tingginya tegangan (amplitude) sebagai berikut :
Gambar 4.3. Grafik frekuensi efektif
59
Dari pengujian yang dilakukan maka di dapat frekuensi efektif sebesar 38,8 kHz, dengan jarak transmisi pada media yaitu 5 cm dan jarak antara receiver 1 dan receiver 2 terhadap transmitter masing-masing 10 dan 17 cm. 4.2.
Pengujian Rangkaian Fungsi kerja alat ini harus melalui beberapa tahap pengujian dan analisa,
hal tersebut dilakukan untuk mendapatkan respon yang baik dari kedua receiver. Analisa awal yaitu dengan melihat bentuk gelombang osilator yang dibuat. Setelah dilakukan pengujian maka didapat bentuk gelombang kotak dari osiloskop dengan frekuensi sekitar 38,8 kHz. Dapat dilihat pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Bentuk gelombang osilator.
60
Setelah mendapatkan bentuk gelombang osilator untuk transmitter, selanjutnya dilakukan pengujian respon gelombang dua receiver. Sinyal pada kedua receiver tersebut dikuatkan dengan menggunakan rangkaian penguat OpAmp dengan penguatan 1000 kali dari tegangan awal. Dan diketahui bahwa tegangan awal kedua receiver sebelum dikuatkan sebesar 4,5 mV setelah dikuatkan menjadi 4,5 volt. Pada penguatan ini sinyal dibawa kembali ke bentuk pulsa gelombang kotak dengan level tegangan 4,5 volt. Untuk pengujian respon kedua receiver pulsa ditrasmisikan secara kontinu dan diberi gangguan atau penghalang pada jarak tertentu maka akan terjadi penurunan amplitude pada pulsa yang diamati. Dapat dilihat pada Gambar 4.5.
R2
R1
Gambar 4.5. Pulsa kedua receiver Pulsa
yang
ditransmisikan
kemudian
di
picu
menggunakan
mikrokontroller dengan mengirimkan sejumlah pulsa yang dihasilkan osilator. Pada osilator pulsa 38-40 KHz lebar pulsa 12,5 µs atau 50 µs untuk satu getaran. Jika pulsa yang dikirim adalah 6 pulsa maka mikrokontroller di set 300 µs untuk 61
setiap satu kali transmisi dan delay yang di sesuaikan dengan respon yang diterima oleh kedua receiver yaitu sebesar 2000 µs . Pulsa triger mikrokontroller active low ditunjukkan oleh gambar 4.6.
Gambar 4.6. Pulsa Aktif low mikrokontroller Pulsa yang dihasilkan oleh mikrokontroller merupakan pulsa active low dimana ketika memicu rangkaian osilator akan active jika diberi pulsa 0 dari mikrokontroller. Setelah dipicu maka pulsa yang ditransmisikan akan berbentuk paket pulsa seperti pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7. Pulsa Transmisi
62
Setelah semua tahapan analisa gelombang teruji maka dilakukan pengamatan terhadap gelombang yang diterima oleh kedua receiver dan mengamati interval waktu kedatangan atau respon dari kedua receiver. Untuk memudahkan analisa respon maka output kedua reciver di uji pada dua chanel osiloskop seperti terlihat pada Gambar 4.8.
Amplitude (mV)
∆t
Respon R2
Respon R1
Time
Gambar 4.8. Respon gelombang receiver 1 dan receiver 2 Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan pada respon kedua receiver dimana untuk receiver 2 mengalami sedikit penurunan amplitude dibandingkan dengan receiver 1. Tampilan osiloskop di set time 500 µs/div yang artinya setiap 1 kotak mewakili 500 µs dan untuk amplitude di set volt/div 10 mV. Melalui analisa tampilan gelombang pada osiloskop dapat dilihat bahwa interval transit time kedua receiver sekitar 550 µs, berbeda sedikit dengan tampilan pada LCD yang diatur oleh mikrokontroller yaitu sebesar 558 µs. Amplitude kedua
63
receiver masing-masing adalah 10 mV untuk receiver 1 dan 8,5 mV untuk receiver. Telah di jelaskan bahwa penguatan yang dibuat sangat besar yaitu 1000 kalinya, namun ketika diuji terjadi penurunan amplitude. Hal ini terjadi karena sebuah medium memiliki koefisian absorpsi yang merupakan fungsi eksponensial terhadap jarak yang dinyatakan dalam rumus :
A = A0 e-αz
(4.1)
Dimana A0 adalah amplitudo awal. Amplitudo (A) adalah amplitudo terreduksi setelah gelombang berjalan dengan jarak sejauh z. α adalah koefisien atenuasi. Amplitude untuk receiver 2 lebih kecil dari receiver 1 dikarenakan receiver 2 terletak lebih jauh dari sumber (transitter) yaitu terpisah sejauh 17 cm. Untuk mengetahui tingkat sensitivitas sensor ultrasonik maka dilakukan beberapa pengujian data interval trasnsit time dengan variasi jarak dilakukan sebanyak 5 kali pengujian, dengan mencatat waktu transit gelombang antara receiver 1 dan receiver 2 dan variasi jarak serta mencatat voltage yang dihasilkan oleh kedua receiver. Data tersebut disajikan dalam tabel 4.2.
64
Tabel 4.2. Pengujian sensitivitas sensor dengan variasi jarak Jarak (cm)
Interval waktu R2-R1 (µs)
V out R1 (mV)
V out R2 (mV)
1
87
15
10
2
129
14
11.5
3
221
12
10.3
4
357
11.2
9.4
5
558
10
8.5
Respon dan korelasi antara jarak dan interval waktu yang di terima oleh kedua receiver ditunjukkan oleh grafik berikut :
Gambar 4.9. Respon sensor dengan variasi jarak Berdasarkan data pengujian dan grafik di atas sensor ultrasonik memiliki performa yang cukup bagus untuk dijadikan sebagai sensor Sonic log, nilai sensitivitas deteksi transit time Ultrasonik yang terukur mencapai 142.3 µs, korelasi tinggi antara
65
jarak transmisi dengan interval transit time yang di deteksi yang mencapai 97,1 % menunjukkan sensor ultrasonik ini memiliki nilai sensitivitas yang tinggi terhadap jarak transmisi.
66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini yaitu desain prototype sonic log dapat dibuat dengan mengintegrasikan komponen-komponen elektronik seperti rangkaian osilator, penguat, dan rangkaian pemicu pulsa (mikrokontroller) dengan waktu yang singkat. Desain prototipe sonic log ini telah mampu mendemonstrasikan penjalaran gelombang ultrasonik dinding. Dari pengujian yang dilakukan telah dihasilkan pulsa kotak dengan frekuensi efektif sebesar 38,8. Data interval transit time receiver 1 dan receiver 2 telah dihasilkan dengan menganalisa bentuk gelombang yang diterima oleh kedua receiver dan dengan mengolah data respon menggunakan mikrokontroller yang ditampilkan pada lcd. Nilai interval transit time yang terbaca pada lcd sebesar 558 µs untuk jarak transmisi 5 cm, dan pada osiloskop sebesar 550 µs. Sensitivitas sensor ultrasonik terhadap perekaman interval transit time dengan kombinasi jarak telah didapatkan dengan nilai sentivitas yang terukur adalah 142.3 µs dengan korelasi 97,1%.
67
5.2. Saran Saran yang dapat diambil pada penelitian adalah untuk pendeteksian nilai interval transit time dengan jarak transmisi yang maksimal dibutuhkan sensor ultrasonik yang memiliki karkateristik tinggi dan nilai sensitivitas yang bagus terhadap jarak. Instrument elektronik yang dibuat harus memiliki performa maksimal agar bisa di gunakan untuk membangkitkan pulsa ultrasonik dengan spesifikasi sensor yang beragam.
68
DAFTAR PUSTAKA
Bueche, Frederick. 1986 .“College Physics, Schaum series”. McGraw-Hill compny,Inc, Cameron and Skofronick, 1978. “Fundamental of Acoustic. McGraw-Hill, Inc. Crain Petrophysical Handbook Curry T.S. 1984. “Introduction to the Physics of Diagnostic Radiology”, Third Edition Lea & Febiger, Philadelphia USA. D. Close, D. Cho, F. Horn, and H. Edmunson.2009, The Sound of Sonic: A Historical Perspective and Introduction to Acoustic Logging Dr.Paul Glover. Petrophysics MSc Course Note .Sonic (Acoustic) Log Ellis, D.V. 1987.Well Logging for Earth Scientists Elsevier. G.Asquith and D.Krygowski, Basic Well Log Analysis: AAPG Mehods in Exploration 16 Giancoli, Douglas C. 1998. Physics (Principles With Application). Fifth Edition. Prentice-Hall International, Inc. Translated in Indonesian Language by Yuhilza Hanum. 2001. Fisika. Edisi 5. Jakarta : Erlangga, Halliday, David and Robert Resnick. 1978. Physics. Third Edition. John Wiley & Sons,Inc. Translated in Indonesian Language by Pantur silaban. 1985. Fisika. Edisi kelima. Jakarta : Erlangga. Halliday, David and Robert Resnick. 1985. Translated in Indonesian Language by Pantur silaban. Fisika. Edisi kelima. Jakarta : Erlangga.
69
Iswanto. 2008. Mikrokontroler ATMEGA 8535 dengan Bahasa Basic.Yogyakarta: Gava Media, Ikatan Alumni Teknik Minyak Indonesia Mokh.Sholihul Hadi. 2008. Mengenal Mikrokontroller AVR ATmega 16. Komunitas eLearning IlmuKomputer. Suprajitno, M. 2001. Instrumentasi Geofisika. Jurusan Fisika, FMIPA,Universitas Indonesia, Jakarta. Suprajitno M. 2000. Aspek Fisis Seismologi Eksplorasi. Jurusan Fisika, FMIPA,Universitas Indonesia, Jakarta. Sutrisno. 1988.”Gelombang Ultrasonik”.Fisika Intitut Teknologi Bandung, Bandung. Syafrudin, Agus. 2008. Rancang Bangun Generator Gelombang Gelombang Ultrasonik dan Implementasinya
untuk Pengukuran Jarak Antara
Dua Obyek .Skripsi Jurusan Fisika FMIPA UNDIP. Ted Van Sickl. 2001. Programming Microcontrollers in C. 2nd Ed. LLH Technology Publishing. Trisnobudi, Amoranto. 2001. “Instrumentasi Ultrasonik”.Catatan kuliah. Institut Teknologi Bandung, Bandung.
Vogel, Summer and Broding. Acoustic Logging. Chapter 7. William De Cooper. 1994.“Instrumetasi Elektronik Dan Teknik Pengukuran” Terjemahan Ir.Sahat Pekpahan, Erlangga : Jakarta.
70
LAMPIRAN 1
Pembuatan modul elektronik (osilator, penguat, dan catu daya)
Pembuatan board
Modul elektronik tampak belakang
Integrasi Elektronik
71
LAMPIRAN 2
Realisasi mekanik (casing sensor dan sonde sonic)
Casing sensor
Prototipe sonic log (sonde) 72
LAMPIRAN 3
Program bahasa C (source code) pada Code vision AVR
#include <mega16.h> #include
#include <stdio.h> int bdata = 0; char bstr [16];
#define TX1 PORTA.0 #define in_TX1 PINA.0
float DT; unsigned char* str[21]; unsigned int counter;
// Timer 0 overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { // Place your code here counter++; }
Dan Program Utamanya seperti berikut:
while (1) { // Place your code here TCNT0 = 0;
73
counter = 0; DDRA = 0xFF ; TX1=1; delay_us(2000); TX1 = 0; DDRA = 0x00; while(in_TX1 == 0); TCCR0 = 0x01; while(in_TX1== 1); TCCR0=0x00; DT1 = (((((float)counter*256)+TCNT0)/1400)); DT2 = (((((float)counter*256)+TCNT0)/1400); DT = (((DT2- DT1); lcd_clear(); lcd_gotoxy(1,0); lcd_putsf("Sonic Log "); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("DT = "); ftoa(DT,2,str); lcd_gotoxy(9,0); lcd_puts(str); delay_ms(100);
}; }
74
LAMPIRAN 4
Software yang digunakan
Software Multisim (simulasi rangkaian)
Software Eagle (Pembuatan Board )
75
Software Code Vision AVR (Compiler C)
Software Downloader Mikrokontroller 76
