KARAKTERISTIK ELEKTRODA PELAT TEMBAGA PAPAN PCB SEBAGAI SENSOR KADAR AIR TANAH Arif Surtono1 dan Sriwahyu Suciati 1 ABSTRAK Penelitian mengenai karakteristik sensor kadar air tanah menggunakan elektroda pelat tembaga papan PCB telah dilakukan. Dua pelat tembaga sebagai elektroda sensor ditancapkan ke dalam tanah. Sensor berada dalam rangkaian pembagi tegangan dengan catu daya 3 V. Air tanah antara dua elektroda merupakan larutan elektrolit dalam tanah dan berperan sebagai resistor variabel mengikuti perubahan kadar air tanah. Sensor mampu mendeteksi kadar air tanah antara 18,62 % (0,359 V) hingga 48,37 % (2,474 V). Karakteristik sensor menunjukkan hubungan linier antara tegangan keluaran sensor (Vo) dengan persentase kadar air tanah (X), yaitu Vo = -0,060 X + 3,413 volt. Karena tegangan maksimal sensor 2,474 V maka pengkondisi sinyal dapat dibuat menghasilkan tegangan 0 V – 2,5V untuk dikonversi oleh ADC menjadi sinyal digital. Range ini dipilih agar resolusi ADC lebih baik sebesar 9,8 mV/bit. Rangkaian pengkondisi sinyal dapat dibuat menggunakan penguat jumlah (summing amplifier). Kata-kata kunci : sensor, kadar air tanah, pengkondisi sinyal.
CHARACTERISTICS OF COPPER FLAT ELECTRODE FROM PCB (PRINTED CIRCUIT BOARD) USING AS SOIL WATER SENSOR ABSTRACT Characterization of soil water sensor using copper flat electrode from PCB has been carried out. Two copper flats as a sensor electrode was immersed into soil. Sensor was put in voltage devider with power supplay 3V. Soil water can be assumed as electrolit solution for both electrodes which acts as variable resistor following the alternation of soil water content. The ability of sensor detecting of soil water content is between 18,62 % and 48,37 % . The sensor characteristic shows a linear relationship between output voltage sensor (Vo) and soil water content (X) with Vo = -0,060 X + 3,413 volt. Due to maximum voltage of sensor is 2,474 V than the signal conditioning designed result 0V – 2,5V for convertioned by ADC to be digital signal. This range used for ADC resolution more smothly with 9,8 mV/bit. The signal conditioning circuit can from the summing amplifier. Keywords: sensors, water soil content, signal conditioning
1
Staff Pengajar Jurusan Fisika FMIPA UNILA
PENDAHULUAN Air tanah adalah air yang terkandung di dalam tanah. Bagi tanaman, air tanah merupakan pemasok kebutuhan air terbesar. Pada setiap tanaman, kebutuhan air tanah beraneka ragam tergantung pada kondisi tanaman, jenis tanaman dan lingkungannya. Air tanah penting bagi tanaman terutama untuk memenuhi transpirasi dalam proses asimilasi pembentukan karbohidrat serta membawa hasil – hasil fotosintesisnya keseluruh jaringan tumbuhan. Fungsi lain air tanah adalah sebagai pelarut unsur hara dalam tanah, membawa hara ke permukaan akar tumbuhan dan mengangkut unsur hara ke seluruh jaringan tumbuhan yang diserap oleh akar. Banyaknya air tanah diistilahkan dengan kadar air tanah, yaitu jumlah air yang terdapat di dalam tanah. Biasanya dinyatakan dalam persen massa atau persen volume (Hakim dkk, 1986). Bagi para ahli ilmu pertanian, kadar air tanah merupakan salah satu variabel penting dari tanaman yang diselidiki. Untuk menentukan kadar air tanah dari suatu sampel tanah basah, ada empat metode yang digunakan yaitu secara gravimetrik, tegangan atau hisapan, hambatan listrik (blok tahanan) dan hamburan neutron (Hakim dkk, 1986). Dari metode tersebut, hampir semuanya memerlukan pengukuran tersendiri di laboratorium, kecuali metode hambatan listrik. Ini berarti membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mengetahui kadar air tanah sampel tanah basah karena tidak dapat mengukur secara langsung di tanah. Metode hambatan listrik memungkinkan dilakukan pengukuran secara langsung di tanah karena pengukuran hambatan listrik dapat menggunakan multimeter yang portabel. Pada metode hambatan lisrik selama ini, sebuah blok keramik berpori, terbuat dari CaSO4, ditempatkan di dalam tanah. Blok keramik ini dapat menyerap (absorpsi) air dari tanah. Hambatan blok keramik terhadap aliran arus listrik tergantung pada jumlah air yang ada dan diserap oleh blok keramik itu (Hillel, 1980). Tetapi metode hambatan listrik tersebut mengandung kelemahan terutama ketika sisi filter blok keramik menjadi kotor karena penggunaan berulang-ulang. Pori-pori keramik menjadi tersumbat oleh kotoran (tanah) sehingga dapat menghambat jalan air yang terserap ke dalam blok keramik yang berasal dari tanah. Akibatnya hasil pengukuran hambatan listrik tidak akurat dan tidak mencerminkan nilai kadar air tanah yang sesungguhnya. Pada penelitian ini dikaji karakteristik pelat tembaga dari papan rangkaian PCB (printed circuit board) sebagai alternatif masalah tersebut, yaitu dimanfaatkan sebagai sensor kadar air tanah. Metode yang digunakan mirip dengan metode hambatan listrik, namun perubahan hambatan listrik direpresentasikan dengan perubahan tegangan listrik sensor. Dua buah elektroda pelat tembaga ditancapkan ke dalam tanah basah. Tanah basah diantara pelat ini berperan sebagai resistansi variabel dalam suatu rangkaian pembagi tegangan. Perubahan kadar air tanah mengakibatkan perubahan tegangan keluaran rangkaian pembagi tegangan. Hubungan kadar air tanah terhadap tegangan keluaran tersebut dianalisis menggunakan regresi linier.
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1) Multimeter digital merk Metrahit 2) Oven listrik 3) Pengukur massa merk Ohauss 4) Catudaya 3 volt
Sedangkan bahan-bahan yang digunakan adalah: 1) Papan PCB ukuran 20cm x 2,5cm x 0,2cm 2) Tanah top soil 3) Resistor ukuran 2 Kohm dan 10 Kohm
Rangkaian sensor Rangkaian sensor kadar air tanah menggunakan elektroda plat tembaga papan PCB (printed circuit broad) dibuat seperti gambar 1 di bawah ini. Vcc
R1=10K
Vo
R2=2K
Tanah
Gambar 1. Rangkaian sensor kadar air tanah Elektroda sensor terbuat dari dua keping pelat tembaga PCB dengan ukuran panjang 20 cm, lebar 2,5 cm, tebal 0,2 cm dan jarak antara kedua keping elektroda 5 cm. Elektroda pelat tembaga ditancapkan ke dalam tanah hingga kedalaman 18 cm. Catu daya (Vcc) rangkaian ini sebesar 3 volt. Dengan mengubah-ubah kadar air tanah, yaitu dengan menyiram sejumlah air, tegangan keluaran rangkaian sensor juga berubah-ubah dan langsung diukur dengan menggunakan multimeter yang memiliki ketelitian hingga 0,001 mV. Pengukuran kadar air tanah Kadar air tanah yang diteliti hanya dinyatakan dalam persentase massa air terhadap massa tanah kering seperti persamaan berikut ini (Hillel, 1980) : Persentase Kadar Air Tanah % KAT =
Wair 100% Wtk
(1)
Massa air diperoleh dari selisih massa tanah basah dengan massa tanah kering. Untuk mendapatkan massa tanah kering, mula – mula sempel tanah basah ditimbang lalu dipanaskan ke dalam oven pada suhu 1050C sampai 1100C selama 4 jam sampai dengan 24 jam. Selanjutnya tanah tersebut ditimbang kemudian dimasukkan kedalam oven lagi dengan suhu yang sama. Kemudian ditimbang lagi dan begitu seterusnya hingga diperoleh massa tanah yang konstan. Sebelum kadar air tanah ditentukan, terlebih dahulu diukur tegangan keluaran sensor. Dengan demikian diperoleh pasangan data tegangan dan kadar air tanah.
Prosedur Kerja Prosedur kerja penelitian ini meliputi tiga kegiatan, yaitu menyiapkan sampel tanah dengan kadar air tanah bervariasi, mengukur tegangan keluaran rangkaian sensor kadar air tanah untuk setiap kadar air tanah berbeda dan mengukur kadar air tanah dengan metode gravimetri. Persiapan sampel tanah Sampel tanah diambil dari tanah topsoil (tanah subur lapisan atas) dan ditempatkan ke dalam bak tanah. Variasi kadar air tanah dimulai dari kadar air tanah paling kecil (dalam penelitian ini diperoleh 18,62 %) hingga kadar air tanah paling tinggi (48,37%). Untuk menaikkan kadar air tanah dilakukan dengan cara menambahkan sejumlah air kedalam tanah kemudian diaduk-aduk hingga dapat diperkirakan tingkat kebasahan air telah merata. Begitu seterusnya hingga diperoleh sampel tanah dengan kadar air tanah paling tinggi. Mengukur tegangan rangkaian sensor Tegangan keluaran rangkaian sensor senantiasa selalu berubah dengan berubahnya kadar air tanah. Tanah (air tanah) diantara dua elektroda merupakan resistansi variabel dalam rangkaian pembagi tegangan. Karena kadar air tanah mempengaruhi sifat hambatan listrik tanah. Besarnya tegangan keluaran sensor ini (Vout) secara teori merupakan karakteristik rangkaian pembagi tegangan yang dirumuskan sebagai :
Vout =
Rtanah + R2 Rtanah + R1 + R 2
Vcc
(2)
Untuk mengetahui tegangan keluaran sensor cukup dilakukan dengan mengukur secara langsung menggunakan multimeter (voltmeter) digital pada bagian keluaran gambar 1. Setiap perubahan kadar air tanah, tegangan keluaran sensor diukur secara teliti. Mengukur kadar air tanah Kadar air tanah diukur dengan menggunakan metode gravimetri seperti dinyatakan pada persamaan 1. Setelah sampel tanah diukur tegangan sensornya maka diambil sebagian tanah (dicuplik) untuk diukur massanya sebagai massa tanah awal yang basah. Selanjutnya ditambahkan lagi air pada sampel tanah dan diukur kembali tegangan keluaran sensor. Untuk memperoleh massa tanah kering, setiap sampel dioven pada suhu 105o C hingga 110o C hingga diperoleh massa tanah konstant. Dengan menambahkan air setiap hari pada sampel tanah maka kadar air tanah akan bertambah pula sehingga diperoleh variasi kadar air tanah dari kadar sedikit hingga kadar banyak.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil data pengukuran tegangan keluaran sensor (Vout) terhadap persentase kadar air tanah (KAT) diperoleh data seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Data tegangan sensor (Vout) terhadap persentese kadar air tanah (KAT) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
KAT(%) 18.62 19.76 22.69 25.15 31.69 32.41 35.41 37.93 39.28 40.65
Vout (V) 2.474 2.172 1.866 1.687 1.586 1.502 1.374 1.231 1.064 1.024
No 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
KAT(%) 42.86 43.80 44.30 44.93 45.71 46.38 47.71 48.02 48.14 48.37
Vout (V) 0.995 0.891 0.859 0.703 0.659 0.580 0.521 0.439 0.415 0.359
Dengan menggunakan program Microsoft Exel, dapat dibandingkan hasil dari empat jenis regresi terhadap data tabel 1 untuk mengetahui jenis regresi yang korelasinya terkuat, yakni korelasi antara tegangan sensor dan persentase kadar air tanah. Gambar 2 berikut ini adalah grafik hasil keempat regresi yaitu regresi eksponensial, polinomial, logaritmik dan linier. Karakteristik sensor kadar air tanah (regresi linier)
Karakteristik sensor kadar air tanah (regresi polinomial orde 2)
2.500
2.500 tegangan (V)
3.000
tegangan (V)
3.000
2.000
2.000
1.500
1.500 y = -0.06x + 3.4123 R2 = 0.9664
1.000
y = -0.0005x 2 - 0.026x + 2.883 R2 = 0.9704
1.000
0.500
0.500
0.000
0.000
0
10
20 30 40 kadar air tanah (%)
50
60
0
10
(a)
20
30 40 kadar air tanah (%)
50
60
50
60
(b) Karakteristik sensor kadar air tanah (regresi eksponensial)
Karakteristik sensor kadar air tanah (regresi logaritmik) 3.000
2.500
2.500 tegangan (V)
3.000
tegangan (V)
2.000
2.000
1.500
1.500 y = -1.9137Ln(x) + 8.0143 R2 = 0.9429
1.000
-0.0532x
y = 7.3906e
1.000
2
R = 0.8637
0.500
0.500
0.000
0.000 0
10
20
30 40 kadar air tanah (%)
50
60
0
10
20
30 40 kadar air tanah (%)
(c) (d) Gambar 2. Karakteristik sensor kadar air tanah dari beberapa regresi a. eksponensial b.polinomial c.logaritmik d.linier
Jangkauan atau range kadar air tanah yang dapat dideteksi oleh sensor adalah 18,62 % hingga 48,37 %. Berdasarkan hasil regresi, seperti ditunjukkan pada gambar 2, diperoleh bahwa korelasi terkuat antara dua peubah yaitu antara tegangan sensor dan kadar air tanah dipenuhi dari regresi polinomial (R 2 =0,9704). Korelasi diartikan sebagai hampiran terdekat suatu persamaan terhadap titik-titik data. Semakin besar nilai koefisien korelasi (R) maka semakin baik hampiran persamaannya (Walpole, 1995). Namun karena penyelesaian persamaan polinomial lebih rumit maka dapat dipilih regresi linier. Korelasi regresi linier cukup baik (R 2 =0,9664) dan penyelesaian persamaan linier lebih mudah diselesaikan. Selain itu implementsi hardware pengkondisi sinyal yang memenuhi persamaan linier lebih mudah direalisasikan. Persamaan linier karakteristik sensor kadar air tanah hasil regresi linier diperoleh : Vo = -0,060 X + 3,413 volt
(3)
dimana Vo adalah tegangan sensor (volt) dan X adalah persentase kadar air tanah (%). Mengingat range tegangan keluaran sensor cukup sempit, yaitu 0,359 V- 2,474 V maka jika sensor akan dibaca oleh suatu perangkat digital melalui ADC (analog to digital converter) dibutuhkan lagi rangkaian pengkondisi sinyal. Pengkondisi sinyal dibuat untuk mengkondisikan range tegangan tersebut memenuhi range masukan ADC. Karena keluaran sensor maksimal 2,474 V, yaitu mendekati 2,5 V, maka pengkondisi sinyal dapat dirancang mampu menghasilkan/mengeluarkan tegangan 0 V – 2,5 V. Range tegangan ini memenuhi syarat sebagai range tegangan masukan ADC dengan catatan pin Vref/2 ADC diaktifkan, yaitu dengan menghubungkannya ke catu tegangan 2,5 V. Dengan cara tersebut resolusi ADC menjadi 9,8 mV/bit. Bandingkan dengan resolusi untuk referensi 5 V adalah 19,6 mV/bit. Rangkaian pengkondisi sinyal dirancang berdasarkan range output sensor (0,359 V- 2,474 V) dan range input ADC (0 V – 2,5 V). Pengkondisi sinyal dapat memenuhi persamaan linier sebagai berikut: Vops = m Vin + Vo
(4)
dimana Vops = tegangan keluaran pengkondisi sinyal, Vin = tegangan masukan berasal dari sensor, m = gradien persamaan dan Vo = tegangan offset nol, yaitu tegangan keluaran pengkondisi sinyal ketika tidak ada masukan dari sensor ( Vin = 0). Dengan mensubstitusi range output sensor dan range input ADC ke persamaan 4 maka diperoleh nilai m dan Vo : 2,5 = m.2,474 + Vo
(5)
0 = m. 0,359 + Vo
(6)
Persamaan 5 dikurangi dengan persamaan 6 diperoleh 2,5 = m (2,474 – 0,359)
m=
(7)
2,500 = 1,182 2,115
Subtitusikan harga m ke persamaan 5 maka diperoleh Vo = - 0,424 volt Akhirnya persamaan pengkondisi sinyal (persamaan 4) menjadi Vops = 1, 182. Vin – 0,424
volt
(8)
Berdasarkan persamaan 8 ini, rangkaian pengkondisi sinyal dapat dirancang menggunakan jenis penguat jumlah (summing amplifier). Komponen utama rangkaian pengkondisi sinyal ini terdiri dari dua buah IC op-amp 741, tiga buah resistor 1 kΩ dan dua buah resistor 1,182 kΩ. Gambar 3 berikut ini adalah realisasi rangkaian pengkondisi sinyal menggunakan penguat jumlah berdasarkan persamaan 8.
1,182k
1,182k
1k
-0,424 V 1k Vin
+
1k
+
Vops Gambar 3. Rangkaian pengkondisi sinyal sensor kadar air tanah SIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pelat tembaga papan PCB cukup baik dimanfaatkan sebagai sensor kadar air tanah karena secara umum menunjukkan hubungan linier antara tegangan sensor dan kadar air tanah. 2. Sensor kadar air tanah yang telah dibuat memiliki karakteristik linier dengan persamaan Vo = -0,060 X + 3,413 volt. 3. Pengkondisi sinyal untuk sensor kadar air tanah ini dapat dirancang menggunakan rangkaian penguat jumlah, seperti gambar 3, agar dapat dibaca oleh perangkat digital melalui ADC. Daftar Pustaka Fraden, Jacob, 1996, Handbook of Modern Sensors: Physics, Design and Applications, AIP Press, California. Hakim, Nurhajati dkk, 1986, Dasar-dasar Ilmu Tanah, Penerbit Universitas Lampung, Bandar Lampung. Hillel, Daniel, 1980, Fundamentals of Soil Physics, Academic Press, San Diego. Johnson, D Curtis, 1997, Process Control Instrumentation Technology, Prentice-Hall Inc., New Jersey Setiadi, 1992, Bertanam Durian, Penebar Swadaya, Jakarta. Tan, Kim H., 1998, Dasar-dasar Kimia Tanah, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta. Walpole, Ronald E., 1995, Pengantar Statistika, terjemahan Bambang Sumantri, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
