PERANCANGAN ALAT DETEKSI LETAK KEBOCORAN PIPA PVC MENGGUNAKAN SENSOR FLOWMETER MODEL FS300A BERBASIS TCP/IP (Skripsi)
Oleh Duwi Hariyanto 1217041014
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG 2016
ABSTRAK PERANCANGAN ALAT DETEKSI LETAK KEBOCORAN PIPA PVC MENGGUNAKAN SENSOR FLOWMETER MODEL FS300A BERBASIS TCP/IP
Oleh Duwi Hariyanto
Kebocoran jaringan pipa air dapat menyebabkan kerugian finansial yang besar bagi pihak pengguna sistem perpipaan. PDAM umumnya menggunakan metode manual untuk mendeteksi letak kebocoran pipa, seperti dengan melihat secara kasat mata jika terjadi genangan air yang berada diatas jaringan pipa. Penelitian bertujuan untuk menghasilkan metode guna merancang alat yang dapat mendeteksi letak kebocoran pipa secara cepat dan akurat. Metode dilakukan dengan menggunakan dua buah sensor flowmeter yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran pipa untuk merekam data selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ). Data hasil ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa semakin kecil nilai selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ) maka akan semakin jauh letak kebocoran pipa (X). Penurunan besar diameter lubang bocor (D) sebesar 43% mengakibatkan penurunan nilai selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ) sebesar 21%. Berdasarkan hasil tersebut disimpulkan bahwa alat deteksi letak kebocoran pipa menggunakan teknologi sensor flowmeter dapat membedakan letak titik kebocoran pada pipa air secara akurat dan efektif. Kata kunci: kebocoran, debit air, sensor flowmeter, TCP/IP, WIZ110SR
i
ABSTRACT DESIGN OF DEVICE FOR DETECTING PIPELINE LEAK LOCATION USE WATER FLOW SENSOR FS300A AND TCP/IP
By Duwi Hariyanto
Pipeline leaks can cause major financial losses for the users of pipeline system. PDAM generally uses manual methods to detect leak location, such as by looking puddle above the pipeline. The research proposed to produce a method to design device that can detect pipeline leak location quickly and accurately. The method use water flow sensors that are placed before and after the leak. The water flow sensors are used to record data of the difference between incoming and outgoing water flow (ΔQ). The data are transmitted to a computer using a network based on TCP/IP. The results showed that the smaller value of the difference between incoming and outgoing water flow (ΔQ), the farther distance leak location (X). If diameter hole (D) had decreased by 43%, the value of the difference between incoming and outgoing water flow (ΔQ) would have decreased by 21%. Based on these results, the device for detecting pipeline leak location with technology water flow sensor can distinguish pipeline leak location accurately and effectively. Keywords:
leak, water flow, water flow sensor, TCP/IP, WIZ110SR
ii
PERANCANGAN ALAT DETEKSI LETAK KEBOCORAN PIPA PVC MENGGUNAKAN SENSOR FLOWMETER MODEL FS300A BERBASIS TCP/IP
Oleh DUWI HARIYANTO
Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar SARJANA SAINS Pada Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR lAMPUNG 2016
iii
Judul Skripsi
: Perancangan Alat Deteksi Letak Kebocoran Pipa PVC Menggunakan Sensor Flowmeter Model FS300A Berbasis TCP/IP
Nama Mahasiswa
: Duwi Hariyanto
Nomor Pokok Mahasiswa
: 1217041014
Jurusan
: Fisika
Fakultas
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
MENYETUJUI 1. Komisi Pembimbing
Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T. NIP. 19801010 200501 1 002
Drs. Amir Supriyanto, M.Si. NIP. 19650407 199111 1 001
2. Ketua Jurusan Fisika FMIPA
Dr. Yanti Yulianti, S.Si., M.Si. NIP. 19751219 200012 2 003
iv
MENGESAHKAN
1. Tim Penguji Ketua
: Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T.
........................
Sekretaris
: Drs. Amir Supriyanto, M.Si.
........................
Penguji Bukan Pembimbing : Prof. Dr. Warsito, S.Si., D.E.A.
2. Dekan Fakultas Matematikan dan Ilmu Pengetahuan Alam
Prof. Dr. Warsito, S.Si., D.E.A. NIP. 19710212 199512 1 001
Tanggal Lulus Ujian Skripsi :
v
........................
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini terdapat karya yang pernah dilakukan orang lain, dan sepanjang pengetahuan saya tidak ada karya atau pendapat ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini sebagaimana disebutkan dalam daftar pustaka. Selain itu, saya menyatakan pula bahwa skripsi ini dibuat oleh saya sendiri. Apabila pernyataan ini tidak benar, maka saya bersedia dikenakan sangsi sesuai dengan hukum yang berlaku.
Bandarlampung, 25 April 2016
Duwi Hariyanto NPM.1217041014
vi
Penulis bernama lengkap Duwi Hariyanto. Laki-laki yang dilahirkan di Bandarlampung pada tanggal 8 Juli 1994 menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SD N 5 Sumberejo Kemiling Bandar Lampung pada tahun 2006, Sekolah Menengah Pertama di SMP N 14 Bandar Lampung pada tahun 2009, Sekolah Menengah Atas di SMA N 14 Bandar Lampung pada tahun 2012. Duwi Hariyanto, terdaftar sebagai mahasiswa di Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung melalui SNMPTN UNDANGAN tahun 2012. Penulis merupakan mahasiswa penerima bantuan biaya pendidikan Bidik Misi angkatan 2012. Selama menempuh pendidikan, pernah menjadi Koordinator Asisten Praktikum Fisika Dasar I, Pemrograman Komputer, Elektronika Dasar I dan II, dan Fisika Eksperimen. Penulis pernah aktif dalam kegiatan organisasi seperti menjadi anggota Bidang Sains dan Teknologi Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) Jurusan Fisika FMIPA Unila periode 2013-2014, dan Ketua Umum Physics Instrument Club (PIC) Jurusan Fisika FMIPA Unila periode 2015. Prestasi yang pernah diraih penulis adalah Peringkat 1 Olimpiade Sains Nasional (OSN) Pertamina Fisika Tingkat Provinsi tahun 2013, Peringkat 2 OSN Pertamina Fisika Tingkat Provinsi tahun 2015, Peringkat 3 Mahasiswa Berprestasi FMIPA Unila tahun 2015, Peserta Olimpiade Nasional MIPA Perguruan Tinggi Tahap II tahun 2014 dan 2015, dan Ketua Tim Penelitian penerima hibah Program Kreatifitas Mahasiswa-Penelitian (PKM-P) tahun 2014. vii
PERSEMBAHAN
Dari hati yang terdalam, skripsi ini sepenuhnya aku persembahkan untuk
Kedua orang tuaku, Rosidi dan Ilham Turiha Orangtua terbaik sepanjang masa yang senantiasa mendoakan dan memotivasi untuk kesuksesanku
My Sister and My Brother Ika Hawiji, S.Pd. dan Trio Herwansyah
Keluarga Besarku yang selalu mendukung untuk kesuksesanku
My Zing, Fatia Ulfah Partner terbaik yang selalu menjadi motivasiku untuk menjadi yang terbaik
Universitas Lampung Almamaterku tercinta viii
MOTTO
“… Alloh will rise up, to suitable ranks and degrees, those of you who believe and who have been granted knowledge …” (Q.S. Al-Mujadalah: 11)
And remember! Your Lord caused to be declared (publicly): “If ye are grateful, I will add more (favours) unto you; but if ye show ingratitude, truly My punishment is terrible indeed” (Q.S. Ibrahim: 7)
Is there any reward for good other than good (Q.S. Ar-Rahman: 60)
Ikhtiar, do’a, tawakal
Hasil itu penting, namun parameter sukses itu dinilai dari proses
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Alloh SWT yang telah memberikan kemurahan, hidayah, dan karunia-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi berjudul Perancangan Alat Deteksi Letak Kebocoran Pipa PVC Menggunakan Sensor Flowmeter Model FS300A Berbasis TCP/IP. Skripsi ini menyajikan metode perancangan alat deteksi letak kebocoran pipa berdasarkan analisis debit air menggunakan dua buah sensor flowmeter yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran. Sensor flowmeter digunakan untuk merekam data selisih debit air sebelum dan sesudah titik kebocoran. Data hasil ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP untuk mendeteksi letak kebocoran pipa secara efisien dan akurat. Penulis menyadari bahwa penyajian skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak demi perbaikan dan penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat menjadi rujukan untuk penelitian berikutnya agar lebih sempurna dan dapat memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.
Bandar Lampung, 15 April 2016 Penulis, Duwi Hariyanto
x
SANWACANA
Puji syukur kehadirat Alloh SWT Yang Maha Kuasa lagi Maha Berkehendak, atas segala limpahan rahmat, taufik serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan skripsi ini sesuai dengan waktu yang telah direncanakan. Shalawat serta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada baginda Rosululloh Muhammad SAW beserta seluruh keluarga dan sahabatnya yang tanpa perjuangan beliau penulis mungkin masih terjerat tali kebodohan. Dalam menyusun skripsi ini penulis tidak pernah lepas dari bantuan semua pihak. Oleh karena itu penulis ucapkan terima kasih kepada. 1. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (Ditjen Dikti) melalui programnya, yaitu bantuan biaya pendidikan BIDIK MISI, penulis dapat menyelesaikan pendidikan S1 di Universitas Lampung. 2. Kedua orang tua tercinta yang selalu memberikan doa, kasih sayang dan pengorbanan dengan ikhlas sampai saat ini. 3. Bapak Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T. selaku pembimbing 1 yang telah memberikan ilmu, motivasi, dan bimbingan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan penelitian dan skripsi ini. 4. Bapak Drs. Amir Supriyanto, M.Si. selaku pembimbing akademik dan pembimbing 2 yang telah memberikan ilmu, motivasi, bimbingan dan arahannya kepada penulis dalam menjalani proses perkuliahan dan skripsi.
xi
5. Bapak Prof. Dr. Warsito, S.Si., D.E.A. selaku penguji dan Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam Universitas Lampung yang telah memberikan ilmu, waktu, dan bimbingannya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. 6. Ibu Dr.Yanti Yulianti, M.Si. sebagai Ketua Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam Universitas Lampung. 7. Bapak Arif Surtono, M.Si., M.Eng. sebagai Sekretaris Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam Universitas Lampung. 8. Fatia Ulfah as my zing, yang memberi semangat dan motivasi penulis dalam menyelesaikan perkulihan, memenangkan perlombaan, dan penyusunan skripsi ini. 9. Teman-teman 9 BIT, Ma’sum, Jovi, Kuswanto, Irsan, Giri, Iqbal, Randha, Tri, dan teman-teman yang lainnya fisika 2012 yang belum disebutkan satu persatu yang telah berbagi keceriaan, kebersamaan, kebahagiaan, dan kisah hidup yang penulis dapatkan selama kuliah. 10. Kakak-kakak dan adik-adik Kak Fat’hul Bari, Kak Sammy, Mbak Nawira, Agung, Arta, Yulian adik-adik HIMAFI, dan PIC Fisika FMIPA Unila tercinta yang memberikan kepercayaan diri kepada penulis serta telah sangat membantu dalam penyelesaian penelitian dan skripsi ini. Semoga Alloh SWT senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya, serta mencatat kebaikan kita menjadi suatu nilai ibadah, Amin.
xii
DAFTAR ISI
Halaman ABSTRAK .................................................................................................... i ABSTRACT .................................................................................................
ii
HALAMAN JUDUL ....................................................................................
iii
HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................
iv
HALAMAN MENGESAHKAN ..................................................................
v
PERNYATAAN ...........................................................................................
vi
RIWAYAT HIDUP ...................................................................................... vii PERSEMBAHAN ........................................................................................ viii MOTTO .......................................................................................................
ix
KATA PENGANTAR ..................................................................................
x
SANWACANA .............................................................................................
xi
DAFTAR ISI ................................................................................................ xiii DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xv DAFTAR TABEL ........................................................................................ xviii I.
PENDAHULUAN A. Latar Belakang ................................................................................. B. Rumusan Masalah ............................................................................ C. Tujuan Penelitian ............................................................................. D. Manfaat Penelitian ........................................................................... E. Batasan Penelitian . ...........................................................................
1 4 5 5 6
II. TINJAUAN PUSTAKA A. Penelitian Terkait .............................................................................
7
xiii
B. C. D. E. F. G. H. I. J. K.
Persamaan Kontinuitas ..................................................................... Persamaan Bernoulli ........................................................................ Metode Pengukuran Debit Air .......................................................... Aliran Laminar dan Turbulen ........................................................... Water Flow Sensor ¾ Inchi .............................................................. Aturan TCP/IP Routing .................................................................... WIZ110SR ....................................................................................... Mikrokontroler ATmega 16 .............................................................. Real-Time Clock (RTC) DS1307 ...................................................... Karakteristik Alat Ukur ....................................................................
18 19 21 22 24 26 28 29 32 34
III. METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ........................................................... 37 B. Alat dan Bahan ................................................................................. 37 C. Prosedur Penelitian ........................................................................... 39 IV. PEMBAHASAN A. Pengujian Water Flow Sensor ........................................................... B. Pengujian Rangkaian dan Program Mikrokontroler .......................... C. Pengujian Sensor dan Mikrokontroler ............................................... D. Pengujian Letak Kebocoran Pipa ...................................................... E. Analisis Data ....................................................................................
55 60 67 73 84
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ...................................................................................... 90 B. Saran ................................................................................................ 91 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman 2.1 Sketsa Pengujian Kebocoran Pipa dengan DPT ................................. 7 2.2
Hasil Analisis Beda Tekanan (a) Upstream (b) Downstream ............
2.3
Skema Underground Wireless Sensor Network (UWSN) untuk Sistem Monitoring Pipa ............................................................................... 9
2.4
Skema Sensor Tekanan Menggunakan Teknologi FSR .....................
2.5
Sistem Pengujian Deteksi Kebocoran Pipa dengan FSR .................... 11
2.6
Penurunan Tekanan yang Disebabkan oleh Kebocoran Pipa ............. 11
2.7
Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran Gas Berbasis TCP/IP ..... 12
2.8
Sistem untuk Memodelkan secara Matematis Letak Kebocoran Pipa
2.9
Grafik Perbandingan antara Prediksi Lokasi Lubang Relatif (Xc/L) dengan Lokasi Lubang Relatif Sebenarnya (X/L) ............................. 17
8
9
13
2.10 Pemodelan Aliran Tunak Masuk, dan Keluar Sebuah Tangki ........... 18 2.11 Fluida dalam Aliran Laminar Melewati Pipa yang Tertutup .............. 19 2.12 Aliran Melalui Sebuah Lubang Bebas .............................................. 21 2.13 Skema Aliran dalam Pipa ................................................................. 22 2.14 Bentuk Fisik Water Flow Sensor Model FS300A G3/4 ..................... 24 2.15 Grafik Debit Air Terhadap Keluaran Sensor Flow Meter Berupa Frekuensi ........................................................................................ 25 2.16 Aturan Dasar Routing 1 .................................................................... 26 2.17 Aturan Dasar Routing 2 .................................................................... 27 2.18 WIZ110SR ....................................................................................... 28
xv
2.19 Konfigurasi Pin ATmega16 .............................................................. 30 2.20 Register TIMSK ............................................................................... 30 2.21 Register TCCR1B ............................................................................ 31 2.22 Register TCNT1 ............................................................................... 32 2.23 Rangkaian RTC ................................................................................ 33 3.1
Diagram Alir Penelitian .................................................................... 40
3.2
Model Sistem Pengambilan Data ...................................................... 41
3.3
Rangkaian Catu Daya ....................................................................... 42
3.4
Rangkaian RTC ................................................................................ 43
3.5
Rangkaian Komunikasi Serial menggunakan RS-232 ....................... 44
3.6
Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler .................................... 44
3.7
Diagram Alir Program Mikrokontroler ATmega16 ........................... 45
3.8
Tampilan Software WIZ110SR Configuration Tool ......................... 46
3.9
Sketsa Pengujian Water Flow Sensor ................................................ 48
3.10 Sketsa Pengujian Rangkaian dan Program Mikrokontroler ............... 49 3.11 Sketsa Pengujian Sensor dan Mikrokontroler .................................... 51 3.12 Grafik Hubungan Debit yang Dideteksi Terhadap Letak Titik Kebocoran Pipa X .............................................................................................. 55 4.1
Hubungan Frekuensi Keluaran Sensor 1 dan Debit Air ..................... 57
4.2
Hubungan Frekuensi Keluaran Sensor 2 dan Debit Air ..................... 59
4.3
Rangkaian Akuisisi Data .................................................................. 60
4.4
Grafik Fungsi Kalibrasi Mikrokontroler 1 ........................................ 63
4.5
Grafik Fungsi Kalibrasi Mikrokontroler 2 ........................................ 65
4.6
Grafik Linieritas Pembecaan Frekuensi Mikrokontroler 1 ................. 65
4.7
Grafik Linieritas Pembecaan Frekuensi Mikrokontroler 2 ................. 66
xvi
4.8
Grafik Respon Sensor dan Mikrokontroler ....................................... 72
4.9
Kenaikan Debit Air yang Dideteksi Sensor 1 dengan Diameter Lubang Bocor 21 mm ................................................................................... 74
4.10 Penurunan Debit Air yang Dideteksi Sensor 2 dengan Diameter Lubang Bocor 21 mm ................................................................................... 75 4.11 Grafik Hubungan Selisih Debit Air Masuk dan Debit Air Keluar Terhadap Letak Kebocoran Pipa dengan Diameter Lubang Bocor 21 mm ............................................................................................... 77 4.12 Kenaikan Debit Air yang Dideteksi Sensor 1 dengan Diameter Lubang Bocor 12 mm ................................................................................... 78 4.13 Penurunan Debit Air yang Dideteksi Sensor 2 dengan Diameter Lubang Bocor 12 mm ................................................................................... 78 4.14 Grafik Hubungan Selisih Debit Air Masuk dan Debit Air Keluar Terhadap Letak Kebocoran Pipa dengan Diameter Lubang Bocor 12 mm ............................................................................................... 81 4.15 Kenaikan Debit Air yang Dideteksi Sensor 1 dengan Diameter Lubang Bocor 8 mm ..................................................................................... 82 4.16 Penurunan Debit Air yang Dideteksi Sensor 2 dengan Diameter Lubang Bocor 8 mm ..................................................................................... 82 4.17 Grafik Hubungan Selisih Debit Air Masuk dan Debit Air Keluar Terhadap Letak Kebocoran Pipa dengan Diameter Lubang Bocor 21 dan 12 mm ........................................................................................ 85
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman 2.1 Densitas, Viskositas Kinematika dan Viskositas Dinamika Air ......... 23 2.2 Skala Clock Timer/Counter .............................................................. 32 3.1 Rancangan Data Pengujian Water Flow Sensor ................................ 49 3.2 Rancangan Data Pengujian Rangkaian dan Program Mikrokontroler
50
3.3 Rancangan Data Pengujian Sensor dan Mikrokontroler .................... 52 3.3 Rancangan Data Pengujian Letak Kebocoran Pipa ............................ 53 4.1 Hasil Pengujian Water Flow Sensor 1 ............................................... 56 4.2 Hasil Pengujian Water Flow Sensor 2 ............................................... 58 4.3 Hasil Pengukuran Frekuensi Menggunakan Mikrokontroler 1 Sebelum Dikalibrasi ....................................................................................... 62 4.4 Hasil Pengukuran Frekuensi Menggunakan Mikrokontroler 2 Sebelum Dikalibrasi ....................................................................................... 64 4.5 Hasil Pengujian Sensor 1 dan Mikrokontroler 1 ................................ 68 4.6 Hasil Pengujian Sensor 2 dan Mikrokontroler 2 ................................ 70 4.7 Hasil Rata-Rata Debit Air Pipa Bocor 21 mm yang Dideteksi Sensor 1 dan Sensor 2 ..................................................................................... 76 4.8 Hasil Rata-Rata Debit Air Pipa Bocor 12 mm yang Dideteksi Sensor 1 dan Sensor 2 ..................................................................................... 79 4.9 Hasil Rata-Rata Debit Air Pipa Bocor 8 mm yang Dideteksi Sensor 1 dan Sensor 2 ..................................................................................... 83 4.10Perbandingan Hasil Perhitungan Menggunakan Persamaan (4.6) dan (4.14) pada Kasus Kebocoran dengan Diameter Lubang 21 mm ....... 87
xviii
4.11Perbandingan Hasil Perhitungan Menggunakan Persamaan (4.7) dan (4.13) pada Kasus Kebocoran dengan Diameter Lubang 12 mm ....... 87
xix
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Jaringan pipa merupakan sarana transportasi fluida-fluida penting seperti air minyak, dan gas. Kebocoran jaringan pipa dapat menyebabkan kerugian finansial yang besar bagi pihak pengguna sistem perpipaan, seperti PDAM Way
Rilau
Bandarlampung.
Berdasarkan
data
PDAM
Way
Rilau
Bandarlampung bulan Februari 2015 didapatkan bahwa tingkat kebocoran pada proses distribusi sebesar 39,3%. Hal ini dapat dilihat dari perbedaan antara jumlah air bersih yang didistribusikan oleh PDAM Way Rilau Bandarlampung dengan jumlah air yang terjual kepada pelanggan. Total kapasitas produksi PDAM Way Rilau Bandarlampung sebesar 1.426.825 m3 dengan jumlah air yang didistribusikan sebesar 1.288.185 m3. Sedangkan jumlah air yang dijual kepada pelanggan hanya sebesar 781.114 m3, jadi kehilangan air mencapai 39,3% yaitu sebesar 507.071 m3 (PDAM Way Rilau Bandarlampung, Februari 2015). Angka kebocoran ini melebihi batas pada kriteria desain yang ditetapkan oleh Dirjen Cipta Karya tahun 1988 sebesar 15-30%. Tingkat kebocoran tersebut terdiri dari kebocoran fisik dan nonfisik. Kebocoran fisik adalah kebocoran yang disebabkan oleh bocornya pipa dan
2
perlengkapannya. Sedangkan kebocoran nonfisik adalah kebocoran yang disebabkan oleh pencurian air, sambungan liar, pembacaan meter yang tidak benar, dan akurasi meter yang rendah. Dalam mendeteksi kebocoran pipa, PDAM umumnya masih menggunakan sistem manual, yaitu dengan melihat secara kasat mata jika terjadi genangan air yang berada diatas saluran pipa PDAM, atau dari laporan masyarakat tentang adanya kebocoran atau tidak mengalirnya air di rumah mereka sedangkan menurut data distribusi pasokan air cukup tersedia. Dari laporan tersebut ditindaklanjuti dengan turun ke lapangan secara langsung untuk melihat kondisi di lapangan. Akan tetapi cara ini merupakan cara yang memakan waktu yang lama, karena suatu jaringan pipa bisa saja mencakup area yang cukup luas dan kompleks. Di era kemajuan teknologi ini, bukan hal yang tidak mungkin sistem deteksi kebocoran pipa dilakukan secara cepat dan otomatis. Hal ini didukung dengan teori-teori fisika dan penelitian-penelitian terkait yang telah dilakukan. Santoso, dkk. (2013) melakukan pengujian deteksi kebocoran pipa menggunakan teknologi Differential Pressure Transducer (DPT) yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran untuk merekam beda tekanan. DPT dihubungkan dengan peralatan pengkondisi sinyal dan ADC yang menghasilkan data beda tekanan. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa pada kondisi pipa bocor menghasilkan beda tekanan lebih tinggi dibandingkan kondisi pipa tidak bocor. Sadeghioon, et al. (2014) melakukan pengujian dengan mengembangkan jaringan sensor wireless bawah tanah (Underground Wireless Sensor
3
Network/UWSN) berbasis Force Sensitive Resistor (FSR) untuk memantau kebocoran pipa menggunakan jaringan nirkabel. Prinsip pengujian ini hampir sama dengan penelitian Santoso, dkk. tersebut diatas, perbedaannya pada deteksi beda tekanan sebelum dan sesudah titik kebocoran digunakan teknologi Force Sensitive Resistor (FSR) dan pemantauan kondisi kebocoran pipa menggunakan jaringan nirkabel. Penelitian dengan objek fluida berbeda yaitu gas dilakukan oleh Kirom, dkk. (2013) dengan memonitoring kebocoran gas berbasis TCP/IP. Dalam hal ini, sistem deteksi kebocoran gas dikombinasikan dengan jaringan berbasis TCP/IP yang menghasilkan sistem monitoring secara terpusat sehingga menambah efisiensi dan kecepatan transimisi data. Secara umum metode jaringan berbasis TCP/IP hampir sama dengan metode jaringan nirkabel, perbedaannya jaringan berbasis TCP/IP menggunakan kabel Unshielded Twisted Pair (UTP) sebagai media transmisi data, sedangkan jaringan nirkabel tanpa menggunakan kabel apapun. Kelebihan metode jaringan berbasis TCP/IP dibanding metode jaringan nirkabel terletak pada biaya pengujian yang lebih murah. Kemudian dalam teori fisika mengenai persamaan kontinuitas untuk aliran tak mampu-mampat,
jika
tidak
terjadi
akumulasi
penambahan
maupun
pengurangan fluida dalam suatu volume (wadah), laju aliran fluida yang masuk ke dalam volume tersebut harus sama dengan laju aliran yang keluar dari volume (Munson, dan Young, 2004). Oleh sebab itu, jika terjadi suatu kebocoran dalam sistem distribusi fluida maka akan terjadi perbedaan antara debit fluida masuk, dan debit fluida keluar.
4
Baghdadi dan Mansy (1988) melakukan pemodelan secara matematis dan pengujian eksperimental untuk menentukan letak kebocoran pipa. Pengujian eksperimental dilakukan dengan menggunakan pipa PVC yang permukaannya halus dengan panjang 12 m dan diameter dalam 26 mm, tiga buah orifice meter untuk mengukur debit air masuk, dan tabung pitot untuk mengukur debit air keluar. Titik kebocoran berada pada jarak X dari alat ukur debit air masuk. Berdasarkan hal yang dilakukannya tersebut diperoleh bahwa letak kebocoran pipa merupakan fungsi dari debit fluida masuk dan debit fluida keluar pada pipa. Berdasarkan hal yang disajikan diatas, penulis melakukan suatu inovasi dengan menggunakan dua buah sensor flowmeter yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran pipa untuk merekam perbedaan debit air. Dalam hal ini, sensor flowmeter dihubungkan dengan pengkondisi sinyal dan ADC yang menghasilkan data beda debit air, kemudian hasil tersebut ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP untuk mendeteksi letak kebocoran pipa.
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian adalah: 1
bagaimana pengaruh selisih debit air masuk dan keluar terhadap letak kebocoran pipa ?
2
bagaimana pengaruh besar lubang kebocoran terhadap letak kebocoran pipa ?
5
3
bagaimana kelebihan dan kekurangan sensor flowmeter model FS300A yang diaplikasikan pada alat deteksi letak kebocoran pipa PVC berbasis TCP/IP ?.
C. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian adalah: 1
mengetahui pengaruh selisih debit air masuk dan keluar terhadap letak kebocoran pipa;
2
mengetahui pengaruh besar lubang kebocoran terhadap letak kebocoran pipa;
3
mengetahui kelebihan dan kekurangan sensor flowmeter model FS300A yang diaplikasikan pada alat deteksi letak kebocoran pipa PVC berbasis TCP/IP.
D. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian adalah untuk merealisasikan alat yang dapat mendeteksi letak kebocoran pipa secara cepat dan akurat menggunakan sensor flowmeter dan transmisi data berbasis TCP/IP yang berguna untuk mengoptimalkan sistem deteksi letak kebocoran pipa agar tidak terjadi kerugian finansial yang besar akibat kehilangan produk fluida.
6
E. Batasan Penelitian
Batasan masalah penelitian adalah sebagai berikut. 1.
Pipa yang digunakan yaitu pipa PVC berukuran ¾ inchi.
2.
Pipa diletakkan dengan sudut kemiringan sebesar 1º.
3.
Sensor flowmeter yang digunakan yaitu sensor flowmeter model FS300A dengan jangkauan pengukuran 1 sampai 60 liter/menit.
4.
Sensor flowmeter berjumlah dua buah dan ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran pipa.
5.
Akuisisi data berbasis mikrokontroler ATmega 16 yang diintegrasikan dengan WIZ110SR sebagai komunikasi berbasis TCP/IP ke komputer.
6.
Kebocoran buatan dilakukan dengan menggunakan lubang berdiameter 21 mm, 12 mm, dan 8 mm.
7.
Kebocoran buatan hanya satu titik pada jarak yang diukur dari sensor flowmeter sesudah titik kebocoran.
7
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkait
1. Deteksi Kebocoran Pipa Menggunakan Prinsip Beda Tekanan
Penelitian terkait deteksi kebocoran pipa dilakukan oleh Santoso, dkk. (2013) yang menggunakan teknologi Differential Pressure Transducer (DPT) yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran untuk merekam beda tekanan. DPT dihubungkan dengan peralatan pengkondisi sinyal dan ADC yang menghasilkan data beda tekanan. Gambar 2.1 menunjukkan sketsa pengujian yang dilakukan.
Gambar 2.1 Sketsa Pengujian Deteksi Kebocoran Pipa dengan DPT (Santoso, dkk., 2013). Jarak pengukuran kebocoran adalah 600 mm dan kebocoran buatan dilakukan dengan menggunakan solenoid valve. Dalam penelitian tersebut, pengolahan data menggunakan program Matlab untuk memperoleh grafik beda tekanan dalam rangkaian waktu, mean, probability density function
8
(PDF), autocorrelation, dan power spectral density (PSD). Gambar 2.2 berikut menunjukkan hasil analisis beda tekanan upstream dan downstream.
(a) (b) Gambar 2.2 Hasil Analisis Beda Tekanan (a) Upstream (b) Downstream (Santoso, dkk., 2013). Pada upstream, kondisi bocor tidak menghasilkan perubahan beda tekanan. Pada downstream, kondisi bocor menghasilkan beda tekanan lebih tinggi apabila dibandingkan dengan kondisi tidak bocor. Hal ini diakibatkan perubahan tekanan pada titik kebocoran (menjadi tekanan atmosfer). Berdasarkan hasil tersebut diperoleh bahwa pada kondisi pipa bocor menghasilkan beda tekanan lebih tinggi dibandingkan kondisi pipa tidak bocor. Sadeghioon, et al. (2014) melakukan pengujian dengan mengembangkan jaringan sensor wireless bawah tanah (Underground Wireless Sensor Network/UWSN) berbasis Force Sensitive Resistor (FSR) untuk memantau kebocoran pipa menggunakan jaringan nirkabel. Prinsip pengujian ini hampir sama dengan penelitian Santoso, dkk. tersebut diatas, perbedaannya
9
pada deteksi beda tekanan sebelum dan sesudah titik kebocoran digunakan teknologi Force Sensitive Resistor (FSR) dan pemantauan kondisi kebocoran pipa menggunakan jaringan nirkabel.
Gambar 2.3 Skema Underground Wireless Sensor Network (UWSN) untuk Sistem Monitoring Pipa (Sadeghioon, et al., 2014). Gambar 2.3 menggambarkan skema umum dari UWSN untuk monitoring pipa. Dalam UWSN setiap titik berkomunikasi dengan kedua titik di depan dan belakangnya melalui sinyal gelombang radio. Untuk setiap 4-5 titik (hingga maksimum 10 titik) ada titik master yang memiliki kemampuan untuk berkomunikasi dengan seluruh titik sensor melalui transmisi gelombang radio. Selain itu, titik master ini mampu untuk terhubung ke internet dan mengirimkan data yang diterima dari titik ke awan. Data di awan kemudian dapat diakses melalui perangkat yang berbeda dengan konektivitas internet.
Gambar 2.4 Skema Sensor Tekanan Menggunakan Teknologi FSR (Sadeghioon, et al., 2014).
10
Gambar 2.4 menunjukkan skema sensor tekanan menggunakan FSR. Sensor FSR dilekatkan pada bagian luar pipa dengan menggunakan klip yang modulus Youngnya lebih besar dari pipa. Prinsip kerja sensor tersebut, yaitu tekanan pada pipa menyebabkan gaya kontak antara pipa dan klip. Gaya kontak ini kemudian diukur dengan sensor FSR, selanjutnya perubahan tekanan internal relatif dihitung dari gaya ini menggunakan Persamaan 2.1 berikut:
=
...................... (2.1)
dalam hal ini P (Pa) adalah tekanan internal pipa, rp(m) adalah jari-jari pipa, rj(m) adalah jari-jari klip, Ep(Pa) adalah modulus Young dari pipa, Ej(Pa) adalah modulus Young dari klip, tp(m) dan tj(m) adalah ketebalan pipa dan klip masing-masing. Gaya kontak pada sensor Fc (N) kemudian dapat dihitung dari Persamaan 2.2, di mana As (m2) adalah daerah sensor dan K adalah konstanta antara 0 dan 1 yang menunjukkan fraksi kontak tekanan yang diterapkan ke sensor. =
...................... (2.2)
Dari Persamaan 2.1 dan 2.2 dapat disimpulkan bahwa perubahan tekanan akan menyebabkan perubahan gaya kontak pada sensor. Hal ini akan mengakibatkan perubahan resistansi FSR. Perubahan resistansi tersebut kemudian diukur dan diubah menjadi sinyal analog (tegangan) melalui pembagi tegangan.
11
Gambar 2.5 Sistem Pengujian Deteksi Kebocoran Pipa dengan FSR (Sadeghioon, et al., 2014) Gambar 2.5 menunjukkan sistem pengujian deteksi kebocoran pipa berbentuk U yang dibuat dari pipa PVC berdiameter 40 mm dengan letak kebocoran berada di tengah. Kelima sensor FSR dilekatkan pada bagian pipa PVC dengan interval jarak sebesar 2 m. Sensor 1, 2, dan 3 diletakkan sebelum kebocoran, sedangkan sensor 4 dan 5 diletakkan setelah kebocoran. Air mengalir pada sistem dengan bantuan pompa air yang mampu memberikan tekanan sampai dengan 3 bar.
Gambar 2.6 Penurunan Tekanan yang Disebabkan oleh Kebocoran Pipa (Sadeghioon, et al., 2014) Gambar 2.6 menunjukkan penurunan tekanan yang disebabkan oleh kebocoran. Tekanan yang dideteksi sensor 4 dan 5 yang berada pada titik setelah kebocoran berbeda dengan tekanan sensor 1, 2, dan 3 yang berada
12
pada titik sebelum kebocoran. Dari hasil tersebut dapat ditentukan perkiraan letak kebocoran pipa, yaitu di suatu tempat diantara sensor 3 dan 4.
2. Deteksi Kebocoran Fluida Berbasis TCP/IP Penelitian dengan objek fluida berbeda yaitu gas dilakukan oleh Kirom, dkk. (2013) dengan memonitoring kebocoran gas berbasis TCP/IP. Dalam hal ini, sistem deteksi kebocoran gas dikombinasikan dengan jaringan berbasis TCP/IP yang menghasilkan sistem monitoring secara terpusat sehingga menambah efisiensi dan kecepatan transimisi data.
Gambar 2.7 Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran Gas Berbasis TCP/IP (Kirom, dkk. 2013). Gambar 2.7 menunjukkan sistem monitoring kebocoran gas secara keseluruhan
berbasis
TCP/IP.
Untuk
mentransmisikan
data
dari
mikrokontroler ke komputer dalam penelitian tersebut digunakan modul wiznet WIZ110SR sebagai perangkat pengubah protokol. Dalam hal ini, data dari sensor terlebih dahulu diolah pada ADC mikrokontroler, kemudian data hasil pengolahan dikirim melalui serial mikrokontroler dan diubah menjadi data TCP/IP oleh modul wiznet WIZ110SR. Dari penelitian ini,
13
diperoleh sistem monitoring yang dapat merespon kebocoran gas serta menanganinya dengan keberhasilan 100%, dan transfer data melalui modul wiznet WIZ110SR berjalan baik dengan error sebesar 0%.
3. Pemodelan Matematika Letak Kebocoran Pipa
Baghdadi dan Mansy (1988) melakukan pemodelan secara matematis dan pengujian eksperimental untuk menentukan letak kebocoran pipa. Pengujian eksperimental
dilakukan
dengan
menggunakan
pipa
PVC
yang
permukaannya halus dengan panjang 12 m dan diameter dalam 26 mm, tiga buah orifice meter untuk mengukur debit air masuk, dan tabung pitot untuk mengukur debit air keluar. Titik kebocoran berada pada jarak X dari alat ukur debit air masuk.
Gambar 2.8 Sistem untuk Memodelkan secara Matematis Kebocoran Pipa (Baghdadi dan Mansy, 1988).
Letak
Gambar 2.8 menunjukkan sistem yang dipertimbangkan untuk memodelkan secara matematika letak kebocoran pipa dalam penelitiannya. Berikut dijabarkan variabel-variabel yang mempengaruhi pada kasus tersebut.
14
a.
Pada bagian masuk Q1 = debit masuk ke pipa h1 = ketinggian statis pada bagian masuk.
b.
Pada bagian keluar Q2 = debit keluar dari pipa h2 = ketinggian statis pada bagian keluar.
c.
Di lokasi lubang Qx = debit semburan dari lubang hx1 = ketinggian statis bagian hulu dari lokasi lubang hx2 = ketinggian statis bagian hilir dari lokasi lubang (cdAx)* = debit luasan efektif melewati lubang (hasil kali dari luasan sebenarnya dari lubang Ax dan koefisien debit cd) X
= letak kebocoran diukur dari bagian masuk.
Variabel E pada Gambar 2.8 menunjukkan total energi per unit berat, yaitu jumlah ketinggian statis dan ketinggian dinamis: = ℎ +
...................... (2.3)
dalam hal ini, i sama dengan 1 pada bagian masukan, 2 pada bagian keluaran, X1 sebelum lubang, dan X2 setelah lubang. Dari daftar variabel tersebut, diketahui terdapat sembilan variabel. Jika salah satu diukur baik debit ataupun tekanan pada bagian masuk dan bagian keluar pipa, maka diperlukan lima persamaan berikut untuk memecahkan masalah penentuan letak kebocoran pipa. 1.
Persamaan kontinuitas −
=
...................... (2.4)
15
2.
Kerugian akibat gesekan di bagian pipa sepanjang X, dari hulu ke lubang dapat dinyatakan dalam persamaan
ℎ −ℎ
=
=
...................... (2.5)
dalam hal ini, A merupakan luas penampang melingkar pipa berdiameter D dan panjang L.
3.
f1
= faktor gesekan yang sesuai debit berkecepatan v1
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
k
= resistansi hidrolik per satuan panjang
Kerugian akibat gesekan di bagian pipa sepanjang L-X, dari lubang ke hilir yang dinyatakan dalam persamaan
ℎ
−ℎ =
=
( − )
................. (2.6)
dalam hal ini, faktor f2 merupakan gesekan yang berhubungan dengan debit berkecepatan v2, dan k2 merupakan resistensi hidrolik per unit panjangnya. 4.
Debit melewati lubang yang diperoleh dari persamaan yang menggambarkan aliran melewati lubang Q =c A
5.
Akhirnya,
dengan
2gE
menerapkan
...................... (2.7). keseimbangan
energi
secara
keseluruhan pada sistem di bawah pertimbangan, energi keseluruhan hilang pada lubang H adalah =
−
−
(
−
)−
(
−
) .................... (2.8).
Persamaan di atas berlaku untuk aliran mampat, hal ini menampilkan fakta bahwa energi hilang total pada lubang sama dengan energi total
16
dikurangi jumlah energi luar total ditambah energi hilang total dalam bagian pipa sebelum dan setelah lubang. Setelah manipulasi aljabar kita mendapatkan =
−
...................... (2.9)
ketika aliran ini menyembur ke atmosfer, maka =(
)
−
...................... (2.10)
dalam hal ini =
...................... (2.11)
adalah kecepatan fluida muncul dari lubang. Subtitusi Vx dalam bentuk debit per unit aliran luasan efektif melalui lubang, menunjukkan bahwa =
1 2 (
= (
) −
(
−
)
)
...................... (2.12).
Menyamakan dua ekspresi untuk H, mengungkapkan Ex1 dan Ex2 dalam hal jumlah yang sesuai ketinggian statis dan dinamis, dan yang menunjukkan konstan 1/2gA2 oleh B, diperoleh ℎ
−
ℎ
=(
−
)[( − )
ℎ
−
ℎ
= (
−
)
− (2 + )
+( − )
]
...................... (2.13)
dalam hal ini, =( − )
− (2 + )
+( − )
...................... (2.14).
Aturan-aturan dari persamaan yang menggambarkan fenomena fisik kasus yang diselidiki telah diturunkan. Selanjutnya, mencari ekspresi yang memungkinkan untuk memprediksi lokasi kebocoran dalam bentuk besaran
17
yang diukur pada bagian masukan dan bagian keluaran pipa, terutama h1, Q1, h2, dan Q2. Untuk mencapai tujuan ini, dapat disubtitusikan dalam persamaan (2.13) nilai-nilai hx1 dan hx2 dari persamaan (2.5) dan (2.6), sehingga diperoleh persamaan letak kebocoran pipa yaitu
=
(
)
(
) ...................... (2.15)
dalam hal ini, Xc adalah nilai X hasil perhitungan (m), L adalah panjang pipa total (m), h1 adalah ketinggian statis alat ukur sebelum titik kebocoran (m), h2 adalah ketinggian statis alat ukur setelah titik kebocoran (m), k1 adalah resistansi hidrolik per satuan panjang sebelum titik kebocoran (s2/m6), k2 adalah resistansi hidrolik per satuan panjang setelah titik kebocoran (s2/m6), Q1 adalah debit masuk ke pipa (m3/s), Q2 adalah debit keluar dari pipa (m3/s), dan λ adalah konstanta yang diperoleh dari Persamaan 2.14 (m).
Gambar 2.9 Grafik Perbandingan antara Prediksi Lokasi Lubang Relatif (Xc/L) dengan Lokasi Lubang Relatif Sebenarnya (X/L) (Baghdadi dan Mansy, 1988). Gambar 2.9 menunjukkan hasil perbandingan antara lokasi lubang relatif perhitungan dan lokasi lubang relatif sebenarnya. Kedekatan hasil antara
18
letak lubang yang sebenarnya dan letak lubang yang diperoleh dengan menggunakan
Persamaan
2.15
menegaskan
keabsahan
formulasi
matematika tersebut.
B. Persamaan Kontinuitas Suatu fluida yang sedang mengalir melalui suatu volume yang tetap (misalnya sebuah tangki) yang mempunyai satu sisi masuk, dan satu sisi keluar seperti yang ditunjukkan Gambar 2.10 berikut.
Gambar 2.10 Pemodelan Aliran Tunak Masuk, dan Keluar Sebuah Tangki (Munson dan Young, 2004). Jika alirannya tunak sehingga tidak terjadi akumulasi tambahan fluida dalam volume tersebut, laju aliran fluida yang masuk ke dalam volume harus sama dengan laju aliran yang keluar dari volume (karena kalau tidak massa-nya tidak kekal). Laju aliran massa dari sebuah sisi keluar, m (slug/s atau kg/s), diberikan oleh m = ρQ, dimana Q (ft3/s atau m3/s) adalah laju aliran volume. Jika luas sisi keluar A dan fluida mengalir melintasi luas ini (tegak lurus/normal terhadap luas) dengan kecepatan rata-rata v, maka volume dari fluida yang melintasi sisi keluar ini dalam selang waktu dengan sebuah volume dengan panjang
adalah
, yang artinya sama
dan luas penampangnya A. Jadi
19
laju aliran volume (volume per satuan waktu) adalah Q = vA. Sehingga, m = ρvA. Untuk massa yang kekal, laju aliran masuk harus sama dengan laju aliran keluar. Jika sisi masuk ditandai dengan (1), dan sisi keluar (2), maka m1 = m2. Jadi kekalan massa membutuhkan: ρ1v1A1 = ρ2v2A2....................................... (2.16). Jika kerapatan tetap konstan, maka ρ1 = ρ2, dan persamaan di atas menjadi persamaan kontinuitas untuk aliran tak mampu-mampat A1v1 = A2v2, atau Q1 = Q2 ................................. (2.17). Sebagai contoh, jika luas aliran sisi keluar separuh dari luas aliran sisi masuk, maka kecepatan di sisi keluar adalah dua kali dari kecepatan masuk, hal ini karena v2= A1v1/A2 = 2 v1 (Munson dan Young, 2004).
C. Persamaan Bernoulli Aliran dari suatu segmen fluida ideal yang melewati pipa tidak beraturan dalam selang waktu Δt ditunjukkan Gambar 2.11 berikut.
Gambar 2.11 Fluida dalam Aliran Laminar Melewati Pipa yang Tertutup (Serway dan Jewett, 2009).
20
Pada awal selang waktu tersebut, segmen dari fluida terdiri atas bagian yang diarsir (bagian 1) di sebelah kiri dan bagian yang tidak diarsir. Selama selang waktu tersebut, ujung sebelah kirinya bergerak ke kanan sejauh jarak Δx1, yang merupakan panjang dari bagian yang diarsir di sebelah kiri. Sedangkan ujung sebelah kanannya bergerak ke kanan sejauh jarak Δx2, yang merupakan panjang dari bagian abu-abu yang diarsir (bagian 2) di bagian kanan atas Gambar 2.11. Oleh karena itu, pada akhir dari selang waktu tersebut, segmen fluida terdiri dari bagian yang tidak diarsir dan bagian abu-abu yang diarsir di sebelah kanan atas. Usaha total yang dilakukan pada sistem oleh fluida di luar segmen sama dengan perubahan energi mekanik sistem W = ΔK + ΔU. Dengan melakukan subtitusi untuk setiap suku dalam persamaan ini, diperoleh: (P1 – P2) V = ½ m v22 – ½ mv12 + mgy2 – mgy1 .................. (2.18). Jika setiap sukunya dibagi dengan volume bagian V dan mengingat bahwa ρ=m/V, maka persamaan ini akan menjadi: P1+ ½ ρv12+ρgy1= P2 + ½ ρ v22 + ρgy2 ....................... (2.19). Persamaan 2.18 merupakan persamaan Bernoulii sebagaimana dapat diterapkan pada fluida ideal. Persamaan ini juga dapat ditulis: P + ½ ρv2+ρgy = konstan ................................ (2.20). Persamaan ini menunjukkan bahwa tekanan fluida berkurang ketika kelajuan fluida bertambah. Selain itu, tekanan juga berkurang ketika ketinggiannya bertambah (Serway dan Jewett, 2009).
21
D. Metode Pengukuran Debit Air Dalam pengukuran debit air secara tidak langsung digunakan beberapa alat pengukur yang dapat menunjukkan ketersediaan air pengairan bagi penyaluran melalui jaringan-jaringan yang telah ada atau telah dibangun. Dalam hal ini salah satu alat pengukur yang telah biasa digunakan yaitu tangki terbuka. Aliran zat cair dari sebuah lubang bundar pada sisi sebuah tangki terbuka diduga dengan menuliskan persamaan Bernoulli dari sebuah titik pada permukaan bebas ke pancaran yang sempit, di mana garis-garis arus sejajar dari titik 1 hingga titik 2 dalam Gambar 2.12 berikut.
Gambar 2.12
Aliran Melalui Sebuah Lubang Bebas (Olson, 1993).
Kecepatan di titik 1 pada hakikatnya nol, dan tekanan pada 1 dan 2 adalah tekanan atmosfer. Jadi persamaan Bernoulli dalam hal ini, adalah: =
+
.............................................. (2.21)
sehingga =
2 ∆ℎ .......................................... (2.22)
dan =
2 ∆ℎ ........................................ (2.23).
Sehingga ekspresi sederhana untuk laju aliran sesungguhnya adalah:
22
=
2 ∆ℎ........................................ (2.24)
dalam hal ini, A0 sebagai luas lubang pancar, dan Cd adalah koefisien debit , yang bergantung pada kontraksi pancaran dari lubang pancar ke potongan 2 (Olson, 1993).
E. Aliran Laminar dan Turbulen Osborne Reynolds telah melakukan beberapa percobaan untuk menentukan kriteria aliran laminar dan turbulen. Reynolds menemukan bahwa aliran selalu menjadi laminar, jika kecepatan alirannya diturunkan sedemikian rupa sehingga bilangan Reynolds lebih kecil dari 2300 (Re < 2300). Begitupula dikatakan alirannya turbulen, pada saat bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 (Re > 4000). Dan jika bilangan Reynolds berada diantara 2300 dan 4000 (2300 < Re <4000) maka aliran tersebut adalah aliran yang berada pada daerah transisi.
Gambar 2.13 Skema Aliran dalam Pipa (Streeter, 1988). Untuk menganalisis kedua jenis aliran ini diberikan parameter tak berdimensi yang dikenal dengan nama bilangan Reynolds sebagai berikut:
=
............................................... (2.25)
dengan Re sebagai bilangan Reynolds, v sebagai kecepatan fluida (m/s), D = 2
diameter pipa (m), dan υ = viskositas kinematika fluida (m /s) (White, 1986).
23
Aliran fluida dalam pipa yang berbentuk lingkaran terbagi menjadi dua, yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Karakteristik antara kedua aliran tersebut berbeda–beda dari segi kecepatan, debit dan massa jenisnya. Bilangan Reynolds dapat mendefinisikan kedua aliran campuran air-udara tersebut dengan persamaan berikut:
=
=
................................. (2.26).
Pola aliran pada pipa horizontal, ada efek kekuatan gravitasi untuk menggantikan cairan yang lebih berat mendekati pipa bagian bawah. Bentuk lain dari pola aliran dapat bertambah karena efek ini, dimana aliran tersebut dibagi menjadi dua lapisan (Biksono, 2006). Tabel 2.1 menunjukkan densitas, viskositas kinematika dan viskositas dinamika air pada rentang suhu 0ºC sampai 100ºC. Tabel 2.1 Densitas, Viskositas Kinematika dan Viskositas Dinamika Air (Munson dan Young, 2004). Viskositas Viskositas Suhu (ºC) Densitas (kg/m3) Kinematika Dinamika (N (m2/s) s/m2) -6 0 999.9 1.787 x 10 1.787 x 10-3 5 1000.0 1.519 x 10-6 1.519 x 10-3 -6 10 999.7 1.307 x 10 1.307 x 10-3 -6 20 998.2 1.004 x 10 1.002 x 10-3 -6 30 995.7 8.009 x 10 7.975 x 10-4 40 992.2 6.580 x 10-7 6.529 x 10-4 -7 50 988.1 5.534 x 10 5.468 x 10-4 -7 60 983.2 4.745 x 10 4.665 x 10-4 -7 70 977.8 4.134 x 10 4.042 x 10-4 -7 80 971.8 3.650 x 10 3.547 x 10-4 90 965.3 3.260 x 10-7 3.147 x 10-4 -7 100 958.4 2.940 x 10 2.818 x 10-4 Perbedaan karakteristik antara aliran laminar dan turbulen juga terdapat pada persamaan faktor gesekan pipa (f). Aliran laminar memiliki nilai faktor gesekan
24
yang tidak bergantung pada tingkat kekerasan pipa dan diameter pipa. Faktor gesekan pipa (f) pada aliran laminar yaitu:
=
......................................................... (2.27)
dalam hal ini Re merupakan bilangan Reynolds kurang dari 2000 (Re < 2000). Aliran turbulen memiliki nilai faktor gesekan pipa yang bergantung pada tingkat kekerasan pipa dan diameter pipa sehingga perumusannya menjadi lebih komplek. Pada pipa halus, faktor gesekan yang dirumuskan Blasius yaitu:
=
. .
.................................................. (2.28)
dalam hal ini Re merupakan bilangan Reynolds kurang dari 105 (Re < 105) (Munson dan Young, 2004).
F. Water Flow Sensor ¾ Inchi
Water flow sensor terdiri dari badan katup plastik, rotor air, dan sensor efek hall. Keunggulan sensor flowmeter berbasis sensor effect hall yaitu sistem deteksinya non-kontak sehingga tahan lama dan keluarannya berupa sinyal digital sehingga mudah diproses dan kebal terhadap noise (Sood, et al., 2013). Berikut bentuk fisik water flow sensor G3/4 model FS300A.
Gambar 2.14 Bentuk Fisik Water Flow Sensor Model FS300A G3/4 (www.seeedstudio.com)
25
Ketika air mengalir melalui rotor, rotor berputar. Perubahan kecepatan air mengalir dengan tingkat debit berbeda-beda. Keluaran sensor efek hall berupa sinyal pulsa. Kelebihan sensor ini adalah hanya membutuhkan satu sinyal (SIG) selain jalur 5V DC dan Ground. Spesifikasi water flow sensor model FS300A G3/4 adalah sebagai berikut. a.
Bekerja pada tegangan 5V DC-24VDC.
b.
Arus maksimum yaitu 15 mA pada tegangan 5V DC.
c.
Rentang pengukuran debit 0,5 ~ 60 Liter/menit.
d.
Suhu Pengoperasian 0° C ~ 80°C.
e.
Operasi kelembaban 35% ~ 90%RH.
f.
Tekanan air ≤2.0 Mpa.
g.
Karakteristik keluaran seperti berikut.
Gambar 2.15 Grafik Debit Air Terhadap Keluaran Sensor Flow Meter Berupa Frekuensi (www.seeedstudio.com). Prinsip kerja water flow sensor adalah dengan memanfaatkan fenomena efek hall. Efek hall ini didasarkan pada efek medan magnet terhadap partikel bermuatan yang bergerak. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada divais efek hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus
26
arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi divais tersebut disebut potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui divais. Proses pengkonversian berlangsung dalam sensor. Adanya fluida yang mengalir pada sensor mengakibatkan rotor pada sensor berputar. Putaran pada rotor akan menimbulkan medan magnet pada kumparan yang terdapat pada water flow sensor. Medan magnet tersebut yang akan dikonversikan oleh efek hall menjadi pulsa (Siregar, dkk., 2013).
G. Aturan TCP/IP Routing
TCP/IP adalah serangkaian protokol dimana setiap protokol melakukan sebagian dari keseluruhan tugas komunikasi jaringan. Sebuah IP router (atau gateway) pada prinsipnya adalah sebuah host TCP/IP yang dilengkapi dengan dua atau lebih koneksi jaringan. Sebuah router dapat berupa komputer yang khusus atau sebuah host workstation yang dikonfigurasikan agar melakukan routing.
Gambar 2.16 Aturan Dasar Routing 1 (Heywood, 1996).
27
Berikut beberapa aturan dasar routing, saat subnetting tidak digunakan, dua host yang terhubung ke segmen jaringan yang sama dapat berkomunikasi langsung hanya jika mereka memiliki netid yang sama. Dalam Gambar 2.16 host A dan B dapat berkomunikasi langsung, tetapi baik A maupun B tidak dapat berkomunikasi dengan C, karena mereka memiliki netid yang berbeda (diasumsikan subnet mask setidaknya 255.255.255.0).
Gambar 2.17 Aturan Dasar Routing 2 (Heywood, 1996).
Saat subnetting dipergunakan, maka dua host yang terhubung ke segmen jaringan yang sama dapat berkomunikasi hanya jika baik netid maupun subnetid-nya sesuai. Bila netid atau subnetid berbeda, sebuah router harus dipasang. Dalam Gambar 2.17, host A dan B dapat berkomunikasi secara langsung, C memiliki netid yang sama dengan A dan B, tetapi C memiliki subnetid yang berbeda. Dengan demikian, C tidak dapat berkomunikasi secara langsung dengan A dan B. Disimpulkan dari ilustrasi Gambar 2.16 dan 2.17 host pada segmen jaringan yang sama tidak harus memiliki network id yang sama. Walaupun host ini mengakses kabel yang sama, tetapi router IP diperlukan agar mereka dapat berkomunikasi (Heywood, 1996).
28
H. WIZ110SR
WIZ110SR merupakan modul gateway yang mengubah protokol RS-232 ke dalam protokol TCP/IP. Sehingga dimungkinkan melakukan pengukuran, pengelolaan, dan pengendalian perangkat melalui jaringan berbasis ethernet dan TCP/IP dengan menghubungkan peralatan yang ada dengan serial RS-232. Dengan kata lain,WIZ110SR merupakan sebuah protokol pengubah data serial dari piranti ke dalam protokol TCP/IP dan sebaliknya.
Gambar 2.18 WIZ110SR (Wiznet Co, 2008). Fitur utama yang dimiliki WIZ110SR adalah sebagai berikut. a. Koneksi langsung ke serial. b. Menyediakan Firmware yang terbaharui. c. Sistem stabil dan handal dengan menggunakan chip W5100. d. Mendukung PPPoE Connection. e. Mendukung konfigurasi serial. f. Mendukung password untuk keamanan. g. 10/100 Ethernet dan max 230 Kbps Serial Interface. Ketika data diterima dari port serial, itu dikirim ke W5100 oleh MCU dan data dikirim dari port ethernet, maka data diterima oleh penyangga internal W5100,
29
dan dikirim ke port serial oleh MCU. MCU dapat dikonfigurasi oleh pengguna menggunakan software WIZ110SR configurasi tools (Wiznet Co, 2008).
I. Mikrokontroler ATmega 16
1. Fitur ATmega 16 Berikut ini beberapa fitur yang dimiliki oleh ATmega 16. a. 131 macam instruksi, yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock. b. 32 x 8-bit register serba guna. c. Kecepatan mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz. d. 16 Kbyte Flash Memori yang memiliki fasilitas In-System Programming. e. 512 Byte internal EEPROM. f. 1 Kbyte internal SRAM. g. 2 buah timer/counter 8-bit dan 1 buah timer/counter 16-bit. h. 4 channel output PWM. i. 8 channel ADC 10-bit. j. Serial USART. k. Master/Slave SPI serial interface. l. Two-wire serial interface (Atmel Co, 2010).
2. Konfigurasi Pin Konfigurasi pin ATmega16 dengan kemasan 40 pin Dual In-Line Package (DIP) dapat dilihat pada Gambar 2.19 berikut.
30
Gambar 2.19 Konfigurasi Pin ATmega16 (Atmel Co, 2010). 3. Timer/counter ATmega 16 ATmega 16 memiliki tiga modul timer yang terdiri dari dua buah timer/counter 8-bit, dan satu buah timer/counter 16-bit. Berikut beberapa register yang digunakan untuk mengatur mode dan cara kerja timer/counter. a.
Timer/counterInterrupt Mask Register (TIMSK)
Gambar 2.20 Register TIMSK (Atmel Co, 2010). 1. Bit 7-OCIE2 digunakan untuk mengaktifkan interupsi output compare matchtimer/counter 2. 2. Bit
6-TOIE2
digunakan
untuk
mengaktifkan
interupsi
overflowtimer/counter 2. 3. Bit 5-TICIE1 digunakan untuk mengaktifkan interupsi input capturetimer/counter1.
31
4. Bit 4-OCIE1A digunakan untuk mengaktifkan interupsi output compare A matchtimer/counter 1. 5. Bit 3-OCIE1B digunakan untuk mengaktifkan interupsi output compare B match timer/counter 1. 6. Bit
2-TOIE1
digunakan
untuk
mengaktifkan
interupsi
overflowtimer/counter 1. 7. Bit 1-OCIE0 digunakan untuk mengaktifkan interupsi output compare matchtimer/counter 0. 8. Bit
0-TOIE0
digunakan
untuk
mengaktifkan
interupsi
overflowtimer/counter 0.
b.
Timer/counter1 Control Register B (TCCR1B)
Gambar 2.21 Register TCCR1B (Atmel Co, 2010). 1. Bit 7-ICNC1 digunakan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan filter pada pin ICP1. Jika ICNC1 diset 1 maka berarti fungsi filter pada pin ICP1 diaktifkan. 2. Bit 6-ICES1 digunakan untuk mengatur pemicu kejadian input capture. Jika ICES1 bernilai 0 maka input capture terpicu oleh transisi turun pada pin ICP1 sedangkan jika bernilai 1 maka input capture terpicu oleh transisi naik pada pin ICP1. 3. Bit 4 dan 3-WGM13 dan WGM12 digunakan untuk menentukan mode kerja timer/counter 1.
32
4. Bit 2, 1, dan 0-CS12, CS11, dan CS10 berfungsi untuk mengatur skala sumber clock yang akan digunakan oleh timer/counter 1 seperti dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut. Tabel 2.2 Skala Clock Timer/Counter (Bejo, 2008).
c.
CS12
CS11
CS10
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
Deskripsi Tidak ada clock, timer/counter berhenti Skala clock = 1 (Clocktimer = clock osilator) Skala clock = 8 (Clocktimer = 1/8 clock osilator) Skala clock = 64 (Clocktimer = 1/64 clock osilator) Skala clock = 256 (Clocktimer = 1/256 clock osilator) Skala clock = 1024 (Clocktimer = 1/1024 clock osilator) Sumber clock eksternal pada pin T0, Clock pada transisi turun. Sumber clock eksternal pada pin T0, Clock pada transisi naik.
Timer/counterRegister 1 (TCNT1H dan TCNT1L)
Gambar 2.22 Register TCNT1 (Atmel Co, 2010). Register TCNT1H dan TCNT1L berfungsi untuk menyimpan data cacahan timer/counter 1. Gabungan register TCN1H dan TCNT1L atau sering disebut TCNT1 memiliki ukuran 16-bit sehingga dapat melakukan cacahan dari 0x0000-0xFFFF atau 0-65535 (Bejo, 2008).
J. Real-Time Clock (RTC) DS1307 IC RTC DS1307 merupakan IC serial RTC tegangan rendah dengan format waktu dan kalender yang lengkap. Format waktu atau kalender tersebut
33
menyediakan informasi mengenai detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan dan tahun. Format penghitungan tanggal dalam satu bulan juga telah disesuaikan dengan kalender masehi, termasuk juga untuk tahun kabisat. DS1307 juga memiliki built-in power-sense circuit yang dapat mendeteksi apabila terjadi kesalahan supply dan secara otomatis mengubah pada sistem catu daya cadangan (Rachmat, dkk., 2011).
Gambar 2.23 Rangkaian RTC (Zain, 2013).
Gambar 2.23 menunjukkan rangkaian RTC menggunakan IC DS1307 yang digunakan Zain (2013) untuk mengontrol penerangan pada ruangan berbasis mikrokontroler ATmega 8535 dan RTC DS1307. RTC DS1307 menggunakan bus 2 bit data yang dikirimkan ke PORTC.0 dan PORTC.1 pada mikrokontroler ATMega8535. Berdasarkan kombinasi output tersebut maka mikrokontroler dapat mengeksekusi program yang telah ditetapkan.
34
K. Karakteristik Alat Ukur Karakteristik statis dari alat ukur adalah sebagai berikut. 1. Akurasi dan ketidaktelitian (ketidakpastian pengukuran) Akurasi dari alat ukur merupakan ukuran seberapa dekat nilai keluaran alat ukur dengan nilai yang benar. Dalam prakteknya, ketidaktelitian angka lebih umum dikenal daripada akurasi angka pada alat ukur. Ketidaktelitian adalah sejauh mana nilai keluaran kemungkinan salah, dan sering dimunculkan sebagai persentase dari skala penuh pembacaan alat ukur. 2. Presisi / pengulangan / reproduksibilitas Presisi adalah istilah yang menggambarkan kemampuan alat ukur untuk bebas dari kesalahan random. Jika sejumlah besar hasil pembacaan diambil dari kuantitas yang sama menggunakan alat ukur presisi tinggi, maka penyebaran pembacaan akan sangat kecil. Presisi tinggi tidak menyatakan apapun tentang keakurasian pengukuran. Sebuah alat ukur presisi tinggi mungkin memiliki akurasi rendah. Akurasi pengukuran yang rendah dari alat ukur presisi tinggi biasanya disebabkan oleh bias dalam pengukuran, yang dapat ditanggulangi dengan kalibrasi ulang. Istilah pengulangan dan reproduksibilitas lebih kurang sama tetapi diterapkan dalam konteks yang berbeda. Pengulangan menggambarkan kedekatan hasil pembacaan keluaran, ketika masukan yang sama diterapkan berulang-ulang dalam waktu yang singkat, dengan kondisi pengukuran yang sama, alat ukur dan pengamat yang sama, lokasi yang sama, dan kondisi penggunaan yang sama keseluruhan dipertahankan. Reproduksibilitas
35
menggambarkan kedekatan hasil pembacaan keluaran untuk masukan yang sama ketika terdapat perubahan dalam metode pengukuran, pengamat, alat ukur, lokasi, kondisi penggunaan dan waktu pengukuran. Kedua hal tersebut menggambarkan penyebaran pembacaan output untuk input yang sama. Penyebaran ini disebut sebagai pengulangan jika kondisi pengukuran adalah konstan dan sebagai reproduksibilitas jika kondisi pengukuran bervariasi. 3. Toleransi Toleransi merupakan istilah yang berkaitan erat dengan akurasi dan didefinisikan sebagai kesalahan maksimum dari nilai yang diharapkan. Ketika digunakan dengan benar, toleransi menggambarkan deviasi maksimum komponen yang diproduksi dari beberapa nilai yang ditentukan. 4. Jangkauan atau rentang Jangkauan atau rentang alat ukur didefinisikan sebagai rentang nilai minimum dan maksimum yang dapat diukur oleh sebuah alat ukur. 5. Linearitas Linieritas merupakan nilai keluaran alat ukur yang berbanding lurus terhadap nilai yang diukur. Non-linearitas didefinisikan sebagai deviasi maksimum dari setiap keluaran. Non-linearitas biasanya dinyatakan sebagai persentase dari pembacaan skala penuh. 6. Sensitivitas pengukuran Sensitivitas adalah perbandingan dari perubahan keluaran alat ukur yang terjadi ketika nilai yang diukur berubah dengan sejumlah masukan yang diberikan.
36
7. Ambang Jika masukan ke instrumen secara bertahap meningkat dari nol, masukan harus mencapai tingkat minimum tertentu sebelum mengalami perubahan pada hasil pembacaan dari besaran yang dideteksi. Tingkat minimum pada masukan ini disebut sebagai ambang dari alat ukur. 8. Resolusi Ketika suatu instrumen menunjukkan pembacaan keluaran tertentu, terdapat batas bawah pada besarnya perubahan nilai masukan yang menghasilkan perubahan dalam pengamatan pada keluaran alat ukur. Batas bawah pada besarnya perubahan nilai masukan atau perubahan terkecil dalam nilai yang diukur yang dapat direspon oleh alat ukur disebut resolusi (Morris, 2001).
37
III. METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Oktober 2015 sampai dengan Maret 2016. Perancangan alat penelitian dilakukan di Laboratorium Elektronika Dasar Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut. 1.
Pipa PVC berukuran ¾ inchi sebagai objek penelitian.
2.
Penampung air dengan volume 16 Liter.
3.
Penyambung letter T dan plug pipa PVC berdiameter 21 mm, 12 mm, dan 8 mm digunakan untuk membuat kebocoran buatan.
4.
Pompa air digunakan untuk memompa air ke penampung.
5.
Pengontrol tinggi muka air untuk mengatur nyala dan matinya pompa air.
6.
Sensor flowmeter model FS300A dengan jangkauan pengukuran 1 sampai 60 liter/menit. Sensor flowmeter berjumlah dua buah yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran pipa untuk merekam perbedaan debit air.
38
7.
Mikrokontroler ATmega 16 digunakan untuk mengubah sinyal keluaran sensor flowmeter berupa sinyal pulsa menjadi data berupa frekuensi melalui modul Timer/Counter pada PORTB.1. Kemudian frekuensi yang diperoleh diolah menjadi data debit sesuai karekteristik sensor flowmeter pada Gambar 2.15 pada Bab 2.
8.
IC RTC DS1307 digunakan sebagai referensi waktu mengenai detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun yang dikirimkan ke PORTC.0 dan PORTC.1 pada mikrokontroler ATmega 16.
9.
WIZ110SR digunakan sebagai protokol konverter yang mentransmisikan data yang dikirim dengan serial ethernet dan mikrokontroler untuk mengkonversi kembali TCP/IP data yang diterima melalui jaringan ke data serial untuk ke PC.
10. Hub/Switch digunakan sebagai kotak sambungan yang menerima data dari WIZ110SR dan mentransmisikannya ke PC. 11. Kabel Unshielded Twisted Pair (UTP) sebagai media transmisi data. 12. Personal Computer (PC) digunakan untuk memproses dan menampilkan hasil debit air. 13. Code Vision AVR (CVAVR) digunakan sebagai software pemrograman mikrokontroler. 14. USB
downloader
digunakan
untuk
men-download
program
ke
mikrokontroler. 15. WIZ110SR Configuration Tool Ver 2.1.0 sebagai software pengaturan pada WIZ110SR agar dapat digunakan.
39
16. Hyperterminal
sebagai
software
interface
penerima
data
dari
mikrokontroler.
C. Prosedur Penelitian
Dalam teori fisika mengenai persamaan kontinuitas untuk aliran tak mampumampat, jika tidak terjadi akumulasi penambahan maupun pengurangan fluida dalam suatu volume (wadah), laju aliran fluida yang masuk ke dalam volume tersebut harus sama dengan laju aliran yang keluar dari volume. Oleh sebab itu, jika terjadi suatu kebocoran dalam sistem distribusi fluida maka akan terjadi perbedaan antara debit fluida masuk, dan debit fluida keluar. Dalam penelitian ini, digunakan dua buah sensor flowmeter yang ditempatkan sebelum dan sesudah titik kebocoran pipa untuk merekam perbedaan debit air. Dalam hal ini, sensor flowmeter dihubungkan dengan mikrokontroler ATmega 16 yang digunakan untuk mengubah hasil keluaran sensor flowmeter yang berupa sinyal pulsa menjadi data debit air, kemudian hasil tersebut ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP melalui modul WIZ110SR untuk mendeteksi letak kebocoran pipa. Dalam perancangan sistem deteksi letak kebocoran pipa PVC menggunakan sensor flowmeter berbasis TCP/IP dilakukan dengan prosedur kerja sebagai berikut. 1.
Diagram Alir Penelitian Langkah-langkah penyelesaian penelitian ini secara umum ditunjukkan oleh Gambar 3.1 berikut.
40
Mulai Perancangan Model Sistem Pengujian Sensor Flowmeter Data
Tidak
Benar Ya Merancang dan Membuat Rangkaian Pengujian Rangkaian
Tidak
Berhasil Ya Pembuatan Program
Tidak
Berhasil Ya Penyatuan dan Pengujian Model Sistem Sistem Bekerja Ya Analisis Data Hasil Pengujian Sistem Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian.
Tidak
41
2.
Perancangan Model Sistem Gambar 3.2 berikut menunjukkan model sistem yang digunakan untuk menganalisa pengaruh selisih debit air masuk dan keluar terhadap letak kebocoran pipa dan pengaruh besar lubang kebocoran terhadap letak kebocoran pipa.
Gambar 3.2 Model Sistem Pengambilan Data. Air yang melewati pipa berasal dari penampung, kecepatan aliran air tersebut dapat memenuhi Persamaan 2.24 pada Bab 2 =
2
dalam hal ini, A0 sebagai luas lubang pancar (2.85x10-4 m2) dan Cd sebagai koefisien aliran. Untuk menjaga kecepatan aliran air tetap konstan, ketinggian permukaan air pada penampung dijaga agar tetap pada nilai y±5 cm dengan menggunakan pengontrol tinggi muka air yang berfungsi untuk mengatur nyala dan matinya pompa air. Dalam hal ini, jika ketinggian air kurang dari y maka pompa air dinyalakan dan jika ketinggian air lebih dari y maka pompa air dimatikan.
42
Jarak antara kedua sensor yaitu X+p (cm), dalam hal ini p bernilai 80 cm. Sensor 1 berada pada ketinggian h1 dan sensor 2 berada pada ketinggian h2, dalam hal ini pipa diletakkan dengan kemiringan sebesar 1º. Kebocoran pipa buatan menggunakan penyambung letter T dan plug pipa PVC berdiameter 21 mm, 12 mm, dan 8 mm yang berada pada jarak X (cm) dari sensor 2. Data debit air hasil keluaran sensor 1 dan sensor 2 diolah oleh mikrokontroler ATmega 16, kemudian hasil tersebut ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP melalui modul WIZ110SR untuk dianalisa.
3.
Perancangan Perangkat Keras Perangkat keras untuk alat deteksi letak kebocoran pipa PVC terdiri dari sistem minimum mikrokontroler yang dihubungkan dengan catu daya, sensor flowmeter, rangkaian komunikasi serial, WIZ110SR, dan RTC. a. Rangkaian Catu Daya Gambar 3.3 menunjukkan rangkaian catu daya yang digunakan dalam penelitian. Rangkaian catu daya digunakan untuk mencatu rangkaian mikrokontroler dan modul WIZ110SR yang membutuhkan tegangan 6 VDC.
Gambar 3.3 Rangkaian Catu Daya.
43
Rangkaian menggunakan IC LM 317 yang berfungsi sebagai regulator atau penstabil tegangan dengan keluaran diantara 1.2 sampai 12 VDC. Keluaran catu daya diatur menggunakan potensiometer 5 kΩ. b. Rangkaian RTC Skematik rangkaian RTC menggunakan DS1307 pada penelitian ditunjukkan oleh Gambar 3.4. 4. Rangkaian RTC tersebut menggunakan kristal bernilai ernilai 32.768 kHz sebagai pembangkit frekuensi osilator. Rangkaian RTC ini berkomunikasi dengan menggunakan bus 2 bit data yaitu SCL dan SDA S yang masing-masing dihubungkan PORT PORTC.0 dan PORTC.1 pada mikrokontroler ATmega 16. 16
Gambar 3.4 Rangkaian RTC. c. Rangkaian n Komunikasi Serial Rangkaian
antarmuka
komunikasi
serial
merupakan
gerbang
komunikasi antara mikrokontroler dan personal computer (PC) (PC).
Gambar 3.5 Rangkaian Komunikasi Serial menggunakan RS RS-232.
44
Gambar 3.5 menunjukkan rangkaian komunikasi serial menggunakan IC RS-232. Pada rangkaian ini digunakan IC RS-232 RS 232 sebagai konverter tegangan output mikrokontroler m dari 5 V menjadi 15 V agar kompatibel dengan standar port serial pada komputer. Pin 7 (T2OUT) dihubungkan dengan pin 2 (RXD) DB9 sebagai jalur pengiriman data ke komputer dan pin 8 (R2IN) (R dihubungkan ke pin 3 (TXD) DB9 sebagai jalur penerimaan data dari komputer. d. Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Rangkaian sistem minimum mikrokontroler merupakan rangkaian elektronika yang terdiri dari komponen dasar (IC mikrokontroler ATmega 16, regulator, resistor, kristal, kapasitor, pushbutton pushbutton) yang dibutuhkan oleh suatu IC untuk dapat berfungsi dengan baik.
Gambar 3.6 Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Mikrokontroler.
Kristal yang digunakan bernilai 11.0592 MHz agar dihasilkan error yang kecil dalam transmisi data ke komputer, karena frekuensi tersebut kompatibel dengan standar st frekuensi komputer.
45
4.
Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak utama dalam penelitian ini terdiri dari Code Vision AVR (CVAVR) sebagai software pemrograman mikrokontroler ATmega 16, dan WIZ110SR Configuration Tool Ver 2.1.0 sebagai software pengaturan pada modul WIZ110SR. Sedangkan perangkat lunak sekundernya yaitu Hyperterminal sebagai software interface. Perangkat lunak sekunder ini dapat digantikan fungsinya dengan menggunakan perangkat lunak interface lain seperti Visual Basic, Delphi 7, dan Matlab. a. Code Vision AVR (CVAVR) Mikrokontroler ATmega 16 dirancang untuk menjalankan program dengan diagram alir seperti berikut. Mulai
Input : Water Flow Sensor dan RTC
Mengubah keluaran sensor menjadi data debit
Transmisi data ke komputer melalui komunikasi serial
Output : waktu dan data debit
Selesai
Gambar 3.7 Diagram Alir Program Mikrokontroler ATmega16. b. WIZ110SR Configuration Tool Ver 2.1.0 Pengaturan pada modul WIZ110SR menggunakan software WIZ110SR Configuration Tool bertujuan agar mikrokontroler ATmega 16 dapat
46
berkomunikasi melalui jaringan berbasis internet protokol (IP) menggunakan modul WIZ110SR. Gambar 3.8 berikut menunjukkan tampilan jendela software WIZ110SR Configuration Tool Ver 2.1.0.
Gambar 3.8 Tampilan Software WIZ110SR Configuration Tool.
Prosedur yang dilakukan dalam pengaturan modul WIZ110SR adalah sebagai berikut. 1. Mengatur koneksi Modul WIZ110SR dengan komputer yang akan digunakan untuk proses konfigurasi melalui network switch. 2. Menekan tombol search pada tool untuk menampilkan daftar modul yang terkoneksi ke jaringan. Daftar modul akan tampil di sebelah kiri (Board List) pada Gambar 3.8. 3. Memilih salah satu board yang akan dikonfigurasi sehingga muncul konfigurasi yang telah disimpan ke dalam modul sebelumnya.
47
4. Setelah board dipilih, memasukkan IP address dan subnetmask pada kolom yang tersedia. Menurut aturan TCP/IP routing pada BAB 2, subnet diatur sama yaitu 255.255.255.0 agar dua buah modul WIZ110SR dapat berkomunikasi dengan komputer. IP address modul 1 dan modul 2 diatur masing-masing beralamat 192.168.11.1 dan 192.168.11.2 untuk membedakan diantara keduanya. 5. Pada bagian port diisi sesuai dengan port komunikasi yang digunakan. Untuk port yang digunakan adalah port 23.
5.
Perancangan Pengujian Model Sistem Pengujian model sistem merupakan prosedur yang dilakukan untuk mendapatkan data-data pendukung dalam pencapaian tujuan dalam penelitian ini yaitu menyelidiki pengaruh selisih debit air masuk dan keluar terhadap letak kebocoran pipa dan pengaruh besar lubang kebocoran terhadap letak kebocoran pipa. Pengujian model sistem yang akan dilakukan terdiri dari lima bagian sebagai berikut. 1. Pengujian Water Flow Sensor Pengujian ini bertujuan agar hasil keluaran water flow sensor yang berupa sinyal pulsa linier terhadap debit air yang dideteksi. Gambar 3.9 menunjukkan sketsa pengujian water flow sensor dalam penelitian ini. Pengontrol tinggi muka air digunakan untuk menjaga ketinggian permukaan air pada penampung agar tetap pada nilai y±5 cm dengan mengatur nyala dan matinya pompa air. Dalam hal ini, jika ketinggian permukaan air kurang dari y maka pompa air akan dinyalakan dan jika
48
ketinggian permukaan air lebih dari y maka pompa air akan dimatikan. Ketinggian permukaan air dijaga agar debit air yang akan mengalir pada pipa tetap konstan, hal ini berdasarkan Persamaan 2.24 bahwa debit air berbanding lurus dengan akar ketinggian permukaan air
≈
.
Gambar 3.9 Sketsa Pengujian Water Flow Sensor. Debit air yang mengalir pada pipa diubah-ubah dengan memutar keran pada sudut putaran 30°, 40º, 50º, 60°, 70º, 80º dan 90°. Debit air yang dideteksi water flow sensor diukur secara manual dengan mengukur lama waktu air mengisi wadah berukuran 1 liter, dalam hal ini =
( (
) )
.................................. (3.1)
dan hasil keluaran water flow sensor diukur menggunakan osiloskop. Kemudian data hasil pengukuran debit air dan hasil keluaran water flow sensor dicatat pada Tabel 3.1 berikut. Tabel 3.1 Rancangan Data Pengujian Water Flow Sensor Keluaran Osiloskop θ (º) t (s) Q (cm3/s) Time/div λ (cm) Frekuensi (Hz) 30 40 50 60 70 80 90
49
2. Pengujian Rangkaian dan Program Mikrokontroler Sinyal keluaran water flow sensor yaitu berupa sinyal pulsa, sinyal ini harus diubah menjadi data frekuensi agar didapatkan nilai debit yang dideteksi, hal ini sesuai dengan karekteristiknya yang ditunjukkan oleh Gambar 2.15 pada Bab 2 bahwa debit fluida (liter/menit) linier terhadap frekuensi keluaran sensor (Hz). Mikrokontroler ATmega 16 memiliki modul Timer/Counter yang dapat mencacah pulsa yang masuk pada PORTB.1. Dalam penelitian ini, modul Timer/Counter pada PORTB.1 mikrokontroler ATmega16 digunakan untuk mengubah sinyal pulsa keluaran water flow sensor menjadi data frekuensi, kemudian mengolahnya menjadi data debit air.
Gambar 3.10 Sketsa Pengujian Mikrokontroler
Rangkaian
dan
Program
Gambar 3.10 menunjukkan sketsa pengujian rangkaian dan program mikrokontroler yang akan dilakukan dalam penelitian ini. Pengujian ini bertujuan agar hasil pembacaan mikrokontroler linier terhadap masukan data frekuensi. Data frekuensi yang digunakan sebagai masukan mikrokontroler bersumber dari signal generator. Dalam pengujian keluaran signal generator diatur pada rentang frekuensi 1 hingga 60 Hz,
50
hal ini bertujuan agar hasil pembacaan mikrokontroler akurasinya tinggi dalam rentang frekuensi tersebut, dalam hal ini rentang frekuensi tersebut merupakan karekteristik keluaran water flow sensor yang ditunjukkan oleh Gambar 2.15 pada Bab 2. Data hasil pembacaan mikrokontroler ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP melalui modul WIZ110SR, ditampilkan pada komputer menggunakan software Hyperteminal dan dicatat pada Tabel 3.2, kemudian dibandingkan dengan hasil pengukuran menggunakan osiloskop. Rancangan Data Pengujian Rangkaian dan Program Mikrokontroler Masukan Keluaran fSignal Generator (Hz) fOsiloskop (Hz) fmikrokontroler (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 25 30 35
Tabel 3.2
51
3. Pengujian Sensor dan Mikrokontroler Pengujian ini bertujuan agar debit air hasil pembacaan mikrokontroler linier terhadap debit air yang dideteksi.
Gambar 3.11 Sketsa Pengujian Sensor dan Mikrokontroler
Gambar 3.11 menunjukkan sketsa pengujian sensor dan mikrokontroler dalam
penelitian.
Water
flow
sensor
dihubungkan
dengan
mikrokontroler ATmega 16. Mikrokontroler ATmega 16 digunakan untuk mengubah sinyal pulsa keluaran water flow sensor menjadi data frekuensi melalui modul Timer/Counter pada PORTB.1, kemudian mengolahnya menjadi data debit air sesuai data hasil yang didapatkan pada pengujian water flow sensor yang dijabarkan di atas. Kemudian, hasil pembacaan debit air oleh mikrokontroler dibandingkan dengan karakteristik keluaran sensor pada Gambar 2.15 di Bab 2.
Rancangan data pengujian sensor dan mikrokontroler adalah sebagai berikut.
52
Tabel 3.3 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Rancangan Data Pengujian Sensor dan Mikrokontroler Qreferensi Qmikro f (Hz) error (%) 3 (cm /s) (cm3/s) 10 30 11 33 12 36 13 39 14 42 15 45 16 48 17 51 18 54 19 57 20 60 21 63 22 65 23 68 24 71 25 74 26 77 27 80 28 83 29 86 30 89 31 92 32 95 33 98 34 101 35 104 36 107 37 110 38 113 39 116 40 119
4. Pengujian Letak Kebocoran Pipa Sketsa pengujian letak kebocoran pipa ditunjukkan oleh Gambar 3.2 diatas. Kebocoran pipa buatan menggunakan penyambung letter T dan plug pipa PVC berdiameter 21 mm, 12 mm, dan 8 mm yang berada pada jarak X dari sensor 2 (sensor setelah titik kebocoran). Pada
53
pengujian,
kebocoran
buatan
dilakukan dengan
melepas
plug
(penyumbat) pada penyambung letter T secara cepat dan letak titik kebocoran pipa X diubah-ubah sebesar 1, 2, 3, 4, 5, dan 6 meter. Kemudian data debit air hasil keluaran sensor 1 dan sensor 2 yang diolah oleh mikrokontroler ATmega 16 ditransmisikan ke komputer menggunakan jaringan berbasis TCP/IP melalui modul WIZ110SR, ditampilkan pada komputer menggunakan software Hyperteminal, dan disimpan dengan format *.txt. Untuk mengetahui pengaruh selisih debit air masuk dan keluar terhadap letak kebocoran pipa diperlukan data informasi seperti Tabel 3.4 berikut. Tabel 3.4 Rancangan Data Pengujian Letak Kebocoran Pipa X (cm) Qsensor1 (cm3/s) Qsensor2 (cm3/s) ΔQ (cm3/s) 100 200 300 400 500 600 Dalam hal ini, ΔQ adalah debit air bocor pada pipa yang merupakan selisih antara debit yang dideteksi oleh sensor 1 (Qsensor1) dan sensor 2 (Qsensor2).
6.
Perancangan Analisis Data Analisis data pada pengujian letak kebocoran pipa dilakukan dengan metode grafik yaitu mem-plot selisih antara debit yang dideteksi oleh
54
sensor 1 (Qsensor1) dan sensor 2 (Qsensor2) terhadap letak titik kebocoran pipa X seperti ditunjukkan Gambar 3.12. 600 500 X (cm)
400 300 200 100 0 50
60
70
80
90
100
ΔQ (cm3/s) Gambar 3.12 Grafik Hubungan Debit yang Dideteksi Terhadap Letak Titik Kebocoran Pipa X.
Hasil plot dari hubungan selisih debit air yang dideteksi terhadap letak titik kebocoran pipa X dihampiri dengan suatu trendline, persamaan trendline tersebut akan dijadikan sebagai fungsi untuk mengubah selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ) menjadi letak kebocoran pipa (X). Data hasil persamaan garis dari hubungan debit yang dideteksi terhadap letak titik kebocoran pipa X pada Gambar 3.12 diklasifikasikan berdasarkan diameter lubang kebocoran yaitu 21 mm, 12 mm, dan 8 mm. Kemudian, data-data tersebut saling dibandingkan untuk mendapatkan persamaan matematis yang tepat dalam menentukan letak titik kebocoran pipa menggunakan data hasil debit yang dideteksi oleh sensor 1 (Qsensor1) dan sensor 2 (Qsensor2) pada penelitian ini.
90
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis yang dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut. 1. Debit air masuk meningkat sebesar 36% pada diameter lubang bocor 21 mm, 34% pada diameter lubang bocor 12 mm, dan 22% pada diameter lubang bocor 8 mm setelah pipa mengalami kebocoran. 2. Debit air keluar mengalami penurunan setelah terjadi kebocoran pada pipa, jika semakin kecil nilai selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ), maka akan semakin jauh letak kebocoran pipa yang diukur dari titik kebocoran ke sensor setelah titik kebocoran (X). 3. Penurunan besar diameter lubang bocor sebesar 43% mengakibatkan penurunan nilai selisih debit air masuk dan debit air keluar (ΔQ) rata-rata sebesar 21% pada setiap letak kebocoran. 4. Perbandingan nilai selisih debit air masuk dan keluar (ΔQ) pada diameter lubang 21 mm dan 12 mm adalah 5:4. 5. Teknologi water flow sensor dapat membedakan titik kebocoran pada pipa dengan kemiringan 1º dan panjang 600 cm secara akurat.
91
B. Saran
Saran untuk penelitian selanjutnya yaitu: 1 menggunakan alat ukur debit air dengan resolusi yang lebih tinggi yaitu minimum sebesar 0.1 cm3/s untuk mengetahui pengaruh selisih debit air terhadap letak kebocoran pipa dengan diameter lubang bocor kurang dari 12 mm; 2 menggunakan objek penelitian selain pipa PVC seperti pipa besi untuk mengetahui pengaruh jenis pipa terhadap debit air dan letak kebocoran; 3 menggunakan pipa dengan diameter berbeda-beda untuk mengetahui pengaruh diameter pipa terhadap letak kebocoran; 4 menggunakan akuisisi data berbasis wireless untuk mengetahui letak titik kebocoran pada jaringan pipa yang bercabang dan mencakup daerah yang luas.
DAFTAR PUSTAKA
Atmel Co. 2010. ATmega16. Copyright 2010 Atmel Co., Ltd. All Rights Reserved. Baghdadi, A. H. A. and Mansy. 1988. A Mathematical Model For Leak Location In Pipelines. Application Mathematical Modeling. Vol. 12. Pp 25-30. Bejo, A. 2008. C dan AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATmega8535. Yogyakarta: Graha Ilmu. 27-44 hlm. Biksono, D. 2006. Karakteristik dan Visualisasi Aliran Dua Fasa pada Pipa Spiral. Jurnal Teknik Mesin. Vol. 8, No. 2. 69-74 hlm. Heywood, D. 1996. Konsep dan Penerapan TCP/IP. Yogyakarta: Andi. 259-261 hlm. Kirom, H. I., Sumardi, dan Sudjadi. 2013. Sistem Monitoring Kebocoran Gas LPG (Liquefied Petroleum Gas) Pada Smart Building Berbasis TCP/IP. Transient. Vol. 2, No. 2. 1-7 hlm. Morris, A. S. 2001. Measurement and Instrumentation Principles. Oxford: Butterworth-Heinemann. Pp 16-20. Munson, B., dan D. Young. 2004. Mekanika Fluida Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga. 140-141 hlm. Olson, R. M. 1993. Dasar-Dasar Mekanika Fluida Teknik Edisi Kelima. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. 558-562 hlm. Rachmat, H. H., A. N. Indrawan, dan N. Syafitri. 2011. Pengembangan Sistem Remote Control Untuk Setting Waktu Pada Sistem Automatic Time Switch (ATS) Berbasis Real Time Clock (RTC) DS1307 Untuk Saklar Lampu. Jurnal Rekayasa. Vol 15, No. 1. 4-7 hlm. Sadeghioon, A. M., N. Metje, D. N. Chapman, and C. J. Anthony. 2014. SmartPipes: Smart Wireless Sensor Networks for Leak Detection in Water Pipelines. Journal of Sensor and Actuator Networks. Vol. 3. Pp 64-78.
Santoso, B., Indarto, Deendarlianto, dan T. S. Widodo. 2013. Deteksi Kebocoran Pipa Pada Aliran Dua Fase Plug Menggunakan Analisis Fluktuasi Beda Tekanan. Jurnal Energi dan Manufaktur. Vol. 6, No.1. 1-8 hlm. Serway, R. A., dan J. W. Jewett. 2009. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Salemba Teknika. 656-658 hlm. Siregar, K. T. T., T. Tamba, dan B. Perangin-angin. 2013. Viskosimeter Digital Menggunakan Water Flow Sensor G1/2 Berbasis Mikrokontroler 8535. Jurnal Saintia Fisika. Vol. 4, No.1. 1-6 hlm. Sood, R., M. Kaur, and H. Lenka. 2013. Design and Development of Automatic Water Flow Meter. International Journal of Computer Science, Engineering and Applications. Vol. 3, No. 3. Pp 49-59. Streeter, V. L. 1988. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga. White, F. 1988. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga. Wiznet Co. 2008. WIZ110SR User’s Manual (Version 2.1.0). Copyright 2008 WIZnet Co., Ltd. All Rights Reserved. Zain, R. H. 2013. Sistem Keamanan Ruangan Menggunakan Sensor Passive Infra Red (PIR) Dilengkapi Kontrol Penerangan Pada Ruangan Berbasis Mikrokontroler ATmega8535 Dan Real Time Clock DS1307. Jurnal Teknologi Informasi dan Pendidikan. Vol.6, No. 1. 159-161 hlm.
