KAJIAN TENTANG PERLAKUAN JARAK, BENTUK DAN JENIS BAHAN ELEKTRODA TERHADAP KINERJA SENSOR KONDUKTIVITAS LISTRIK TANAH TIPE KAPASITIF
SKRIPSI
Oleh :
GEDE ANDRI NIM. 1011305006
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN 2015
i
KAJIAN TENTANG PERLAKUAN JARAK, BENTUK DAN JENIS BAHAN ELEKTRODA TERHADAP KINERJA SENSOR KONDUKTIVITAS LISTRIK TANAH TIPE KAPASITIF
SKRIPSI
Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana
Oleh :
GEDE ANDRI NIM. 1011305006
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN 2015 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
Gede Andri. 1011305006. 2015. Kajian Tentang Perlakuan Jarak, Bentuk, dan Jenis Bahan Elektroda Terhadap Kinerja Sensor Konduktivitas Listrik Tanah Tipe 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 kontak langsung yaitu dengan elektroda sensor kapasitif. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hubungan antara jarak, bentuk dan bahan 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 jarak 3, 6, 9, 12 & 15 mm, bentuk yaitu bentuk balok dan silinder, dan bahan elektroda adalah aluminium dan tembaga. Uji kinerja dilakukan dengan memasukkan 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 elektroda sensor tembaga balok dengan jarak 3 mm. Persamaan frekuensi tanah dan EC adalah EC = 0.186875 Ftanah - 10.5695 dengan nilai presisi = 0,861, akurasi = 0,04, stabilitas = 0,04 dan waktu respon = 37,35 detik. Kata Kunci: Konduktivitas listrik (EC), sensor kapasitif, elektroda sensor keeping sejajar, frekuensi tanah, uji kinerja.
iv
Gede Andri. 1011305006. 2015. Study of Electrode Distance, Shape, and Material on the Performance of Capasitive Type of the Soil Electric Konductivity. 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 between distance, shape and electrode materials 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 distances of 3, 6, 9, 12 & 15 mm, electrodes shape of beam and cylinder, and electrodes materials was aluminum and copper. 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 copper beam electrode with distance 3 mm. The equation of soil frequency and EC was EC = 0.186875 Ftanah - 10.5695 with R2 = 0.861, RMSE = 0.04, stability = 0.04 and respond time = 37.35 second. Keyword: Electric conductivity (EC), capacitive sensor, parallel chip sensor electrode, soil Frequency, performance test.
v
RINGKASAN Pengukuran konduktivitas listrik 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. Ada dua teknik yang digunakan untuk mengukur konduktivitas listrik (EC) tanah di lapangan, yaitu : induksi elektromagnetik (EM) dan kontak langsung. Penelitian ini menggunakan kontak langsung dengan 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, material dielektrik antara plat Elektroda, oleh karena adanya hubungan yang erat antara hasil pengukuran EC dengan jarak dan ukuran elektroda, maka penulis mengkaji tentang jarak, bentuk dan bahan elektroda sensor terhapat hasil pengukuran yang di dapatkan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hubungan jarak, bentuk dan bahan elektroda terhadap kinerja sensor kapasitif, dan juga untuk mendapatkan perlakuan yang memberikan kinerja terbaik. Tahapan dalam penelitian ini adalah studi literatur, perancangan elektroda sensor yang di mana perancangan elektroda ini dilakukan dengan jarak, bentuk dan bahan yang berbeda sehingga menghasilkan 20 kombinasi perlakuan elektroda sensor, selanjutnya dilakukan kontruksi elektroda sensor, uji kerja, uji kinerja, membangun persamaan pendugaan EC, dan terahir dilakukan validasi elektroda sensor. Parameter yang diamati dalam penelitian ini meliputi tingkat presisi elektroda sensor yang ditentukan dengan nilai koefisien determinan (R2). Akurasi elektroda sensor yang ditentukan dari nilai RMSE. Stabilitas pengukuran
vi
yang ditentukan dari standar deviasi, dan waktu respon yang ditentukan dari waktu yang diperlukan oleh elektroda sensor untuk membaca media yang diukur. Hasil penelitian menunjukan sensor tembaga balok dengan jarak 3 mm memberikan hasil persamaan pendugaan EC terbaik dengan persamaan pendugan EC = 0.186875 Ftanah - 10.5695, nilai R2 = 0.861, dan akurasi dengan eror sebesar 0.04 , stabilitas pengukuran = 0.04, walaupun waktu respon yang dihasilkan lebih lama yaitu 37.53 detik.
vii
RIWAYAT HIDUP Gede Andri dilahirkan di Singaraja pada tanggal 21 Februari 1992, Provinsi Bali. Penulis merupakan putra pertama dari dua bersaudara pasangan Made Sudama dan Putu Pusmiari, yang berasal dari Kecamatan Banjar, Singaraja. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri 1 Gesing, Kecamatan Banjar pada tahun 2004. Selanjutnya pada tahun 2007 penulis menyelesaikan pendidikan sekolah menengah pertama di SMP Negeri 2 Banjar dan tahun 2010 penulis menyelesaikan pendidikan sekolah menengah atas di SMA Negeri 1 Banjar. Penulis tercatat sebagai mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Udayana (FTP Unud) pada tahun 2010 melalui jalur
PMJK
gelombang 2 dan mengambil Program studi Teknik Pertanian (TEP). Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam organisasi intra dan ekstra kampus, diantaranya Bendahara II HMJ (Himpunan Mahasiswa Jurusan) Teknik Pertanian Periode 2011 -2012, Wakil ketua LKMM (Latihan Kepemimpinan dan Menajemen Mahasiswa) FTP UNUD tahun 2011, Wakil Ketua BEM (Badan Eksekutif Mahasiswa) FTP UNUD Periode 2012-2013, Bendahara umum HUT dan BK FTP tahun 2012, Ketua BISMA FTP (Bakti Ilmiah Sosial Mahasiswa) pada Tahun 2013. Penulis juga pernah mengikuti Praktek Kerja Lapangan di CV. Golden Leaf Farm Bali berada di Desa Wanagiri, Kecamatan Banjar, Kabupaten Buleleng, Bali.
viii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Ida Sang Hyang Widhi Wasa, atas anugrah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Kajian Tentang Perlakuan Jarak, Bentuk , dan Jenis Bahan Elektroda Terhadap Kinerja Sensor Konduktivitas Liatrik Tanah Tipe 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.
Kepada Dikti melalui dana Bidik Misi, sebagai pemberi dana pendukung perkuliahan di Fakultas Teknologi Pertanian Unud selama 10 semester.
4.
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., MP. sebagai pembimbing II yang telah banyak membantu, membimbing dan mengarahkan selama penelitian hingga penyelesaian dari skripsi ini. 5.
Bapak Ir. I Wayan Tika, MP. Selaku pembimbing akademik yang sudah bersedia memberikan bimbingan dan saran selama menempuh pendidikan.
6.
Bapak/ibu dosen dan staf pegawai FTP Unud yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
7.
Kepala Laboratorium Pengelolaan Sumber Daya Alam dan Rekayasa Alat di FTP Unud yang telah memberikan izin untuk menggunakan Laboratorium.
8.
Kepada Pekaseh Subak Cemagi Let Mengwi Badung yang telah memberi izin untuk melakukan pengujian alat di Subak Cemagi Let.
ix
9.
Ayah, Ibu, kakek, nenek, bibi, Pitriani (adik) dan Ni Luh Wahyu Sutarini yang senantiasa memberikan dukungan serta bantuan moril dan materi sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan lancar.
10. Sahabat tercinta Panji, Wahyu, Agus Sumi, Pungky, Ayu Gria, Gek Lia, Ninik, Gus Yudha dan Cynthia Wulandari yang selalu ada dalam menyelesaikan tugas skripsi ini. 11. 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 lainnya yang telah turut serta membantu lancarnya penyelesaian skripsi ini. 12. Rekan-rekan kelas bimbingan (klabing), kak Echa, kak Anggi, kak Eka, Wiriawan, 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 penulisan skripsi ini jauh dari sempurna, sehingga penulis berharap kritikan serta saran-saran dari para pembaca yang bersifat membangun. Denpasar, April 2015
Penulis
x
DAFTAR ISI Halaman COVER .........................................................................................................
i
JUDUL ..........................................................................................................
ii
LEMBAR PENGESAHAN ..........................................................................
iii
ABSTRAK ....................................................................................................
iv
ABSTRACT ..................................................................................................
v
RINGKASAN ...............................................................................................
vi
RIWAYAT HIDUP .......................................................................................
viii
KATA PENGANTAR ..................................................................................
ix
DAFTAR ISI .................................................................................................
xi
DAFTAR TABEL .........................................................................................
xiii
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................
xiv
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................
xv
I. ENDAHULUAN ..................................................................................... 1.1 Latar Belakang............................................................................ 1.2 Rumusan Masalah ...................................................................... 1.3 Tujuan ........................................................................................ 1.4 Manfaat .......................................................................................
1 1 3 4 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 2.1 Tanah .......................................................................................... 2.1.1 Struktur Tanah ........................................................................... 2.1.2 Tekstur Tanah ............................................................................ 2.1.3 Unsur Hara ................................................................................. 2.1.4 Kapasitas Tukar Kation ............................................................. 2.2 Konduktivitas Listrik ................................................................. 2.3 Hubungan Konduktivitas Listrik dengan Tanah ........................ 2.4 Sensor ........................................................................................ 2.4.1 Sensing Unit ............................................................................... 2.4.2 Elektroda Sensor ........................................................................ 2.5 Sensor Kapasitif ......................................................................... 2.6 Analisis Regresi ..........................................................................
5 5 6 7 10 10 10 14 14 15 18 20 21
III. METODE PENELITIAN ...................................................................... 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ..................................................
23 23
xi
3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.8.1 3.3.8.2 3.3.8.3 3.3.8.4
Alat dan Bahan ......................................................................... Alat ........................................................................................... Bahan ........................................................................................ Metodologi................................................................................ Studi Literatur ........................................................................... Perancangan .............................................................................. Perancangan Struktual .............................................................. Perancangan Fungsional........................................................... Kontruksi .................................................................................. Uji Kerja Elektroda Sensor ....................................................... Uji Kinerja ................................................................................ Membangun Persamaan Pendugaan EC ................................... Validasi ..................................................................................... Parameter yang diamati ............................................................ Presisi ....................................................................................... Akurasi ..................................................................................... Waktu Respon .......................................................................... Stabilitas Pengukuran ...............................................................
23 23 23 24 25 25 26 29 28 30 30 30 31 31 31 31 32 32
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 4.1 Elektroda Sensor ........................................................................... 4.2 Hubungan Frekuensi Tanah dengan Frekuensi Filtrat .................. 4.3 Hubungan EC dengan Frekuensi Filtrat ....................................... 4.4 Persamaan Pendugaan EC ............................................................ 4.5 Validasi ......................................................................................... 4.6 Waktu Respon............................................................................... 4.7 Stabilitas Pengukuran ...................................................................
33 33 34 41 47 49 50 52
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan ................................................................................... 5.2 Saran .............................................................................................
54 54
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................
55
LAMPIRAN ..................................................................................................
58
xii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Klasifikasi tekstur tanah menurut beberapa sistem ............................
8
Tabel 2. Konduktifitas berbagai bahan ...........................................................
12
Tabel 3. Fermitivitas bahan dielektrik ............................................................
21
Tabel 4. Perlakuan elektroda yang dihasilkan.................................................
26
Tabel 5. Persamaan yang dihasilkan dari hubungan Frekuensi tanah dengan frekuensi filtrate .................................................................................
40
Tabel 6. Persamaan dan nilai R2 yang dihasilkan dari hubungan frekuensi filtrate dengan EC asil analisis di laboratorium................................
46
Tabel 7. Persamaan pendugaan EC semua perlakuan elektroda sensor ..........
48
Tabel 8. Nilai akurasi dari semua perlakuan elektroda .................................
49
Tabel 9. Waktu respon elektroda sensor .........................................................
51
Tabel 10. Stabilitas pengukuran elektroda sensor .........................................
52
xiii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Segitiga Tekstur..............................................................................
8
Gambar 2. Pinout IC NE555 ...........................................................................
16
Gambar 3. Kapasitor plat sejajar .....................................................................
19
Gambar 4. Diagram alir pelaksanaan penelitian .............................................
24
Gambar 5. Pegangan elektroda sensor .............................................................
27
Gambar 6. Batang elektroda bentuk balok dan silinder ..................................
28
Gambar 7. Kepala elektroda sensor ................................................................
28
Gambar 8. a. Rangkaian pembaca, b. elektroda sensor bentuk balok c. elektroda sensor bentuk silinder ................................................
33
Gambar 9. Komponen lengkap sensor ............................................................
34
Gambar 10. Grafik hubungan frekuensi tanah dengan frekuensi filtrat sensor aluminium balok jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ....
35
Gambar 11. Grafik hubungan frekuensi tanah dengan frekuensi filtrat sensor aluminium silinder jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm
36
Gambar 12. Grafik hubungan frekuensi tanah dengan frekuensi filtrat sensor tembaga balok jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ......
37
Gambar 13. Grafik hubungan frekuensi tanah dengan frekuensi filtrat sensor tembaga silinder jarak, a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ...
38
Gambar 14. Grafik hubungan frekuensi dengan EC sensor aluminium balok jarak, a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ...............................
42
Gambar 15. Grafik hubungan frekuensi dengan EC sensor tembaga balok jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ...............................
43
Gambar 16. Grafik hubungan frekuensi dengan EC sensor aluminium silinder jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ................................ 44 Gambar 17. Grafik hubungan frekuensi dengan EC sensor tembaga silinder jarak a = 3, b = 6, c = 9, d =12, e = 15 mm ..............................
45
Gambar 18. Medan listrik plat sejajar .............................................................
47
xiv
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Metode Analisis Konduktivitas Listrik ............................................... 58 Lampiran 2. Data Frekuensi Tanah dan Frekuensi Filtrat.....................................
59
Lampiran 3.Data Frekuensi Filtrat dan EC ............................................................
69
Lampiran 4. Data Akurasi ......................................................................................
79
Lampiran 5. Data Waktu Respon ...........................................................................
89
Lampiran 6. Data Stabilitas ....................................................................................
91
xv
