KAJIAN TENTANG PERLAKUAN BENTUK KONFIGURASI ELEKTRODA TERHADAP KINERJA SENSOR KONDUKTIVITAS LISTRIK TANAH JENIS KAPASITIF
SKRIPSI
Oleh : WAHYU OCTAVIANUS NIM. 1011305011
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN 2016
KAJIAN TENTANG PERLAKUAN BENTUK KONFIGURASI ELEKTRODA TERHADAP KINERJA SENSOR KONDUKTIVITAS LISTRIK TANAH JENIS KAPASITIF
SKRIPSI
Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana
Oleh : WAHYU OCTAVIANUS NIM. 1011305011
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN 2016 ii
LEMBAR PENGESAHAN
Skripsi ini telah mendapat persetujuan pembimbing : Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
Prof. Ir. I Made Anom S. Wijaya, M.App.Sc., Ph.D NIP. 19631113 199003 1 003
I Putu Gede Budi Sanjaya, S.TP., MT NIP. 19790530 200502 1 004
Mengesahkan : Dekan Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana Dr. Ir. I Dewa Gde Mayun Permana., MS NIP. 19591107 198603 1 004 Tanggal lulus :
iii
Wahyu Octavianus. 1011305011. 2016. Kajian Tentang Perlakuan Bentuk Konfigurasi Elektroda Terhadap Kinerja Sensor Konduktivitas Listrik Tanah Jenis Kapasitif. Dibawah bimbingan Prof. Ir. I Made Anom S. Wijaya, M.App.Sc., Ph.D. selaku pembimbing 1 dan I Putu Gede Budi Sanjaya, S.TP., MT. selaku pembimbing 2
ABSTRAK Pengukuran EC dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu induksi elektromagnetik dan kontak langsung. Penelitian ini menggunakan metode kontak langsung yaitu dengan elektroda sensor kapasitif. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hubungan antara bentuk-bentuk konfigurasi elektroda terhadap kinerja sensor kapasitif, dan juga untuk mendapatkan perlakuan yang memberikan kinerja terbaik. Penelitian ini dimulai dengan merancang elektroda kemudian dilanjutkan dengan uji kerja dan uji kinerja. Perlakuan yang digunakan meliputi perlakuan elektroda bentuk cincin (ring), bentuk rambut dan bentuk segitiga, dan konfigurasi dari masing-masing bentuk yaitu 2, 4, 6 dan 8. Uji kinerja dilakukan dengan menancapkan elektroda ke dalam tanah dengan kedalaman 20 cm untuk mendapatkan frekuensi dan pada saat yang sama diambil sampel tanah untuk dianalisis di laboratorium untuk mendapatkan nilai EC. Berdasarkan data hubungan antara frekuensi tanah dan EC kemudian dianalisis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja terbaik adalah konfigurasi elektroda sensor bentuk rambut 2. Persamaan frekuensi tanah dan EC adalah EC = 0.80590 Ftanah – 4.48289 dengan nilai R2 = 0.851, RMSE = 0.066, stabilitas = 0.02 dan waktu respon = 7.41 detik. Kata Kunci: Konduktivitas listrik (EC), sensor kapasitif, elektroda sensor keping sejajar, frekuensi tanah, uji kinerja.
iv
Wahyu Octavianus. 1011305011. 2016. Study of Electrode Configuration Shape on the Performance of Capasitive Type of the Soil Electric Conductivity. Supervised by Prof. Ir. I Made Anom S. Wijaya, M.App.Sc., Ph.D. and I Putu Gede Budi Sanjaya, S.TP., MT. ABSTRACT
The measurement of EC can be conducted in two ways, namely electromagnetic induction and direct contact. This study using capacitive direct contact. The aims of this study were to determine the relationship of configurations shape each other of electrode to the measurements performance, and to determine to treatment that has the best performance. The study was started by designing the electrodes then continued by functional test and performance test. The treatments used was electrodes shape of ring, hair and triangle, and electrodes configuration of each shape was 2, 4, 6 and 8. The electrode probe was inserting into the soil with the depth of 20 cm to get the frequency and at the same time soil sample was collected for analyzed in the laboratory to get the EC values. Based on those data the relationship of between soil frequency and EC were then analyzed. The results indicated that the best performance was hair shapes with 2 configuration. The equation of soil frequency and EC was EC = 0.080590 F(soil) - 4.48289 with R2 = 0.851, RMSE = 0.066, stability = 0.02 and respond time = 7.41 second. Keyword: Electric conductivity (EC), Capacitive sensor, Parallel chip sensor electrode, soil frequency, Performance test.
v
RINGKASAN Data analisa tanah sangat penting diketahui petani untuk memberikan penanganan yang tepat terhadap lahan pertaniannya, sehingga kesuburan tanahnya dapat tetap dipertahankan. Mengingat kebanyakan petani memerlukan hasil cepat dan biaya yang seminimal mungkin, maka diperlukan suatu alat pengukur yang bisa memberikan hasil secara cepat dan biaya terjangkau. Pengukuran konduktivitas listrik (EC) tanah menjadi pengukuran yang paling sering dilakukan untuk mengetahui keragaman kandungan tanah untuk aplikasi precision pertanian, karena sangat mudah dilakukan dan memberikan hasil yang tepat. Terdapat dua metode
pengukuran
konduktivitas
listrik
(EC)
tanah
yaitu,
induksi
elektromagnetik dan kontak langsung. Penelitian ini dilakukan dengan metode pengukuran kontak langsung, yaitu dengan menggunakan elektroda sensor kapasitif. Sensor jenis kapasitif memiliki prinsip dasar pengukuran berdasarkan perubahan kapasitansi. Kapasitansi antara dua pelat ditentukan oleh tiga hal yaitu luas penampang plat elektroda, jarak elektroda dan material dielektrik antara plat elektroda. Mengingat adanya hubungan yang erat antara hasil pengukuran EC dengan luas penampang dan jarak elektroda, maka penulis mengkaji tentang bentuk dan konfigurasi elektroda sensor terhadap hasil pengukuran yang didapatkan. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah studi literatur, perancangan elektroda sensor dengan perlakuan bentuk dan jarak elektroda yang berbeda dan menghasilkan 12 kombinasi perlakuan elektroda sensor, selanjutnya dilakukan kontruksi elektroda sensor, uji kerja, uji kinerja, membangun
vi
persamaan pendugaan EC, dan terakhir dilakukan validasi elektroda sensor. Parameter yang diamati dalam penelitian ini adalah tingkat presisi elektroda sensor yang ditentukan dengan nilai koefisien determinan (R2), akurasi elektroda sensor yang ditentukan dari nilai RMSE, stabilitas pengukuran yang ditentukan dari standar deviasi, dan waktu respon yang ditentukan dari waktu yang diperlukan oleh elektroda sensor untuk membaca media yang diukur. Hasil dari penelitian ini menunjukan bahwa elektroda sensor bentuk rambut dengan konfigurasi 2 memberikan hasil persamaan pendugaan EC terbaik dengan persamaan pendugan EC = 0.080590 Ftanah – 4.48289, nilai R2 = 0.851, dan akurasi dengan eror sebesar 0.066, stabilitas pengukuran = 0.02, dengan waktu respon yang dibutuhkan selama 7.41 detik.
vii
RIWAYAT HIDUP Wahyu Octavianus dilahirkan di Denpasar pada tanggal 8 Oktober 1992. Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara pasangan Djupri dan Fietje K. Penulis memulai pendidikan di SD N 2 Tegal Badeng Timur, Negara Bali pada tahun 1998 dan menamatkannya pada tahun 2004, lalu melanjutkan pendidikan di SMP N 1 Tabanan dan berhasil menamatkannya pada tahun 2007. Tahun 2007 penulis melanjutkan pendidikan ke SMA N Kediri Tabanan sampai dengan tahun 2010. Penulis tercatat sebagai mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana pada tahun 2010 melalui jalur SNMPTN gelombang pertama dan mengambil Program studi Teknik Pertanian (TEP). Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi intra dan ekstra kampus, diantaranya menjabat sebagai Fungsionaris HMJ (Himpunan Mahasiswa Jurusan) Teknik Pertanian Periode 2011-2012, Fungsionaris BLM (Badan Legislatif Mahasiswa) Fakultas Teknologi Pertanian periode 2012-2013, Fungsionaris BEM (Badan Eksekutif Mahasiswa) Fakultas Teknologi Pertanian Periode 2013-2014, Ketua Agritech Ceria Fakultas Teknologi Pertanian 2012, serta aktif sebagai panitia pelaksana dan pengarah kegiatan mahasiwa Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana. Penulis juga pernah mengikuti Praktek Kerja Lapangan di PT. New Kuta Golf & Ocean View yang berada di kawasan Pecatu Resort, Badung – Bali.
viii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus, atas anugrah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Kajian Tentang Perlakuan Bentuk Konfigurasi Elektroda Terhadap Kinerja Sensor Konduktivitas Listrik Tanah Jenis Kapasitif”. Penulisan skripsi ini dimaksudkan untuk memenuhi salah satu syarat mencapai gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Udayana. Keberhasilan penulis tidak hanya didasarkan atas kerja keras penulis tetapi juga berkat dukungan serta bantuan yang penulis terima dari awal dimulainya penelitian ini hingga akhir penulisan skripsi. Untuk itu, penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1.
Bapak Dr. Ir. I Dewa Gde Mayun Permana, MS. selaku Dekan Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Udayana.
2.
Bapak Dr. Ir. I Wayan Widia, M.SIE. selaku Ketua Jurusan Teknik Pertanian, FTP Unud.
3.
Bapak Prof. Ir. I Made Anom S. Wijaya, M.App.Sc., Ph.D. selaku pembimbing I dan Bapak I Putu Gede Budi Sanjaya, S.TP., MT. sebagai pembimbing II yang telah banyak membantu, membimbing dan mengarahkan selama penelitian hingga penyelesaian dari skripsi ini.
4.
Bapak Dr. Ir. Ida Bagus Putu Gunadnya, M.S. selaku pembimbing akademik yang telah bersedia memberikan bimbingan dan saran selama menempuh pendidikan.
ix
5.
Bapak/Ibu dosen dan staf pegawai FTP Unud yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
6.
Kepala Laboratorium Pengelolaan Sumber Daya Alam dan Rekayasa Alat di FTP Unud yang telah memberikan izin untuk menggunakan Laboratorium.
7.
Kepada Pekaseh Subak Cemagi Let Mengwi Badung yang telah memberi izin untuk melakukan pengujian alat di Subak Cemagi Let.
8.
Ayah, Ibu, kakak dan seluruh keluarga besar yang senantiasa memberikan dukungan serta bantuan moril dan materi sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan lancar.
9.
Sahabat tercinta Andri, Panji, Agus Sumi, Pungki, Ayu Gria, Gek Lia, Ninik, Gus Yudha, Cynthia Wulandari, Itha Purnama dan Uning Prastiti yang selalu ada dalam menyelesaikan tugas skripsi ini.
10. Rekan-rekan FTP Unud angkatan 2010 khususnya anak TEP 2010, Diaz, Fajar, Ayoni (alm), Rian, Icun, Disa, Vera, Parimba, Samuel, Adi, Viqtor, Gerry dan teman-teman di FTP Angkatan 2010 sampai angkatan 2014, yang tak bisa disebut satu persatu, terima kasih atas segala bantuannya dalam perkuliahan, membuat tugas, praktikum dan penelitian hingga akhir skripsi ini. 11. Rekan-rekan kelas bimbingan (klabing), kak Echa, kak Anggi, kak Eka, Wirawan, Edo, Baskara, Tebo, Aris, Ogik, dan Anik yang sudah membantu dalam kelancaran penyelesaian skripsi ini. Penulis berharap, semoga skripsi ini dapat dipergunakan sebagai mana mestinya sehingga dapat bermanfaat bagi banyak orang. Penulis sadar bahwa
x
penulisan skripsi ini jauh dari sempurna, sehingga penulis berharap kritikan serta saran-saran dari para pembaca yang bersifat membangun.
Denpasar, Mei 2016
Penulis
xi
DAFTAR ISI Halaman COVER ..................................................................................................... i JUDUL ......................................................................................................
ii
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................ iii ABSTRAK ................................................................................................ iv ABSTRACT ..............................................................................................
v
RINGKASAN ............................................................................................ vi RIWAYAT HIDUP ................................................................................... viii KATA PENGANTAR ............................................................................... ix DAFTAR ISI ............................................................................................. xii DAFTAR TABEL ..................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xvi DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. xvii I.
PENDAHULUAN ..............................................................................
1
1.1
Latar Belakang..................................................................................
1
1.2
Perumusan Masalah ..........................................................................
4
1.3
Tujuan .............................................................................................
4
1.4
Manfaat ............................................................................................
4
II. TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................
5
2.1
Tanah................................................................................................
5
2.2
Komponen Tanah .............................................................................
6
2.3
Tekstur Tanah ...................................................................................
7
2.4
Konsistensi Tanah .............................................................................
8
2.5
Konduktivitas Listrik ........................................................................
8
2.6
Konduktivitas Listrik Tanah.............................................................. 10
2.7
Sensor ............................................................................................... 11
2.8
Persyaratan Umum Sensor ................................................................ 12
2.9
Sensing Unit ..................................................................................... 13
2.9.1 Power Supply + Regulator 5 Volt ................................................... 13 2.9.2 Rangkaian Osilator 555 .................................................................. 14
xii
2.9.3 LCD ............................................................................................... 15 2.10 Sensor Kapasitif ................................................................................ 16 2.11 Dielektrik.......................................................................................... 18 2.12 Muatan Listrik .................................................................................. 19 2.13 Kuat Medan Listrik ........................................................................... 20 2.14 Hubungan Paralel ............................................................................. 21 2.15 Tembaga ........................................................................................... 22 2.16 Analisis Regresi ................................................................................ 22 III. METODE PENELITIAN .................................................................... 24 3.1
Tempat dan Waktu Penelitian .......................................................... 24
3.2
Alat dan Bahan ................................................................................. 24
3.2.1 Alat ................................................................................................ 24 3.2.2 Bahan ............................................................................................. 24 3.3
Metodologi ....................................................................................... 25
3.3.1 Studi Literatur ................................................................................ 26 3.3.2 Perancangan ................................................................................... 26 3.3.3 Perancangan Fungsional ................................................................. 26 3.3.3.1 Rangka Sensor ............................................................................. 26 3.3.3.2 Konfigurasi Elektroda .................................................................. 27 3.3.4 Perancangan Struktural ................................................................... 28 3.3.4.1 Rangka Sensor ............................................................................. 28 3.3.4.2 Konfigurasi Elektroda .................................................................. 29 3.4
Uji Kerja Elektroda Sensor ............................................................... 32
3.5
Uji Kinerja ........................................................................................ 32
3.5.1 Membangun Persamaan Pendugaan EC .......................................... 33 3.5.2 Validasi .......................................................................................... 33 3.6
Parameter yang Diamati .................................................................... 33
3.6.1 Presisi............................................................................................. 34 3.6.2 Akurasi ........................................................................................... 34 3.6.3 Waktu Respon ................................................................................ 34 3.6.4 Stabilitas Pengukuran ..................................................................... 35 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 36 xiii
4.1
Elektroda Sensor ............................................................................... 36
4.2
Hubungan Frekuensi Lapangan dengan Frekuensi Filtrat Laboratorium .......................................................................... 37
4.3
Hubungan EC dengan Frekuensi Filtrat ............................................. 42
4.4
Persamaan Pendugaan EC ................................................................. 49
4.5
Validasi ............................................................................................ 50
4.6
Waktu Respon .................................................................................. 51
4.7
Stabilitas Sensor ............................................................................... 52
V. PENUTUP .......................................................................................... 54 5.1
Kesimpulan....................................................................................... 54
5.2
Saran ................................................................................................ 54
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 55 LAMPIRAN .............................................................................................. 58
xiv
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Konduktivitas Elektrik Logam Pada Suhu Kamar ....................... 10 Tabel 2. Konstanta Dielektrik Berbagai Bahan ......................................... 19 Tabel 3. Konstanta Bahan Penghantar ...................................................... 22 Tabel 4. Persamaan yang Dihasilkan dari Hubungan Tanah Lapangan dengan Frekuensi Filtrat .................................. 42 Tabel 5. Persamaan dan Nilai R2 Hasil Hubungan dari Frekuensi Filtrat dengan EC ................................................ 43 Tabel 6. Luas Penampang Plat Elektroda ................................................. 49 Tabel 7. Persamaan Pendugaan EC Semua Perlakuan Elektroda Sensor ........................................................................ 50 Tabel 8. Nilai RMSE dari Semua Perlakuan Elektroda ............................. 51 Tabel 9. Waktu Respon Pengukuran Elektroda Sensor ............................. 52 Tabel 10. Stabilitas Pengukuran Elektroda Sensor .................................... 53
xv
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.
Halaman Komposisi Tanah yang Ideal (% volume) .............................. 6
Gambar 2.
Segitiga Tekstur Tanah ..........................................................
Gambar 3.
Pinout IC NE555 ................................................................... 14
Gambar 4.
Konsep Sensor Kapasitif........................................................ 17
Gambar 5.
Muatan Listrik yang Berpindah ............................................. 19
Gambar 6.
Diagram Alir Konstruksi Sensor ............................................ 25
Gambar 7.
Perancangan Rangka Sensor .................................................. 28
Gambar 8.
Perancangan Elektroda Sensor ............................................... 31
Gambar 9.
Komponen Lengkap Sensor ................................................... 37
7
Gambar 10. Grafik Hubungan Frekuensi Tanah dengan Frekuensi Filtrat Sensor Bentuk Cincin dengan konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8 .................................................. 38 Gambar 11. Grafik Hubungan Frekuensi Tanah dengan Frekuensi Filtrat Sensor Bentuk Rambut dengan Konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8 ................................................... 39 Gambar 12. Grafik Hubungan Frekuensi Tanah Dengan Frekuensi Filtrat Sensor Bentuk Segitiga dengan Konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8 ................................................... 40 Gambar 13. Grafik Hubungan Antara Frekuensi Filtrat dengan EC Sensor Bentuk Cincin dengan Konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8........ 44 Gambar 14. Grafik Hubungan Antara Frekuensi Filtrat dengan EC Sensor Bentuk Rambut dengan Konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8 ...... 45 Gambar 15. Grafik Hubungan Antara Frekuensi Filtrat dengan EC Sensor Bentuk Segitiga dengan Konfigurasi, a = 2, b = 4, c = 6 dan d = 8 ..... 46 Gambar 16. Medan Listrik Masing-Masing Konfigurasi ........................... 47
xvi
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Metode Analisis Konduktivitas Listrik ...................................... 58 Lampiran 2. Data Frekuensi Tanah dan Frekuensi Filtrat............................... 59 Lampiran 3. Data Frekuensi Filtrat dengan EC .............................................. 65 Lampiran 4. Data Akurasi ............................................................................. 71 Lampiran 5. Data Waktu Respon................................................................... 77 Lampiran 6. Data Stabilitas Pengukuran ........................................................ 78
xvii
