PEMANTAUAN SUHU PERMUKAAN LAUT MENGUNAKAN BUOY TELEMETRI

Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor

PEMANTAUAN SUHU PERMUKAAN LAUT MENGUNAKAN BUOY TELEMETRI SUGIARTO*, NAOMI NATASA SITORUS, FEIZAL AMRI PERMANA, ADITYA PANDU PRASETYO, HENDINA APRILIA LARASARI Prodi Instrumentasi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Jl. Perhubungan I No. 5, Komplek BMKG Pondok Betung, Pondok Aren, Tangerang Selatan 15221 Abstrak. Salah satu kegiatan yang dilakukan pengamat meteorologi adalah melakukan pengukuran suhu permukaan laut, namun selama ini pengukuran suhu permukaan laut masih dilakukan secara konvensional menggunakan termometer air raksa. Makalah ini bertujuan untuk merancang wahana buoy pengukur suhu air laut secara efektif dan efisien dengan memanfaatkan komponen elektronik analog yang mudah dirancang dan berbiaya rendah. Sistem dirancang dengan menggabungkan beberapa perangkat elektronik seperti mikrokontroler ATmega328, sensor suhu termokopel tipe K, catu daya, dan telemetri 915 MHz untuk komunikasi data. Komponen elektronik tersebut diletakkan pada pelampung berbentuk buoy supaya dapat mengapung pada permukaan air laut. Uji lapang dilakukan dengan sistem penambatan buoy pada suatu titik tetap di dasar perairan. Data pengukuran sensor diproses dalam mikrokontroler ATmega328 dan dikirimkan melalui pemancar telemetri kepada komputer penerima didarat untuk diolah dan ditampilkan menggunakan program Visual Basic. Kata kunci : buoy, telemetri, termokopel, suhu permukaan laut Abstract. One of the meteorologist activities is measuring sea surface temperature, but the sea surface temperature data still observed manually using mercury thermometer. The purpose of this paper is design a buoy to measure sea surface temperature effectively and efficiently using low cost analogue electronic components and easily designed. The system is designed by combine multiple electronic devices such as a microcontroller ATmega328, temperature sensor thermocouple K type, power supply, and telemetry 915 MHz for data communication. Electronic components are placed in buoy to be able following the movement of water particles on the sea surface. The test is done with a buoy mooring system at a fixed point on sea bottom. Sensor measurement data is processed in the ATmega328 microcontroller and sent via telemetry transmitter to the receiver on ground computers to be processed using the Visual Basic program. Keywords: buoy, telemetry, thermocouple, sea surface temperature

1. Pendahuluan Pemantauan parameter meteorologi tidak hanya dilakukan di darat, tetapi juga dilakukan di perairan baik secara langsung maupun tidak langsung. Pengukuran secara tidak langsung parameter meteorologi seperti suhu permukaan laut dapat *

email : [email protected]

Kode Artikel: FINS-05 ISSN: 2477-0477

Sugiarto dkk

dilakukan dengan bantuan satelit meteorologi maupun perhitungan model. Selain pengukuran tidak langsung, pemantauan secara langsung dapat dilakukan secara manual menggunakan termometer air raksa maupun secara otomatis menggunakan buoy meteorologi. Data satelit dan model seringkali memiliki nilai error yang lebih tinggi dibandingkan dengan pengukuran langsung [1]. Ditinjau dari segi akuisisi data, pengukuran menggunakan buoy memiliki kelebihan dalam menghasilkan data secara kontinyu. [2]. Ketersediaan data suhu permukaan laut secara kontinyu sangat dibutuhkan untuk digunakan dalam berbagai disiplin ilmu seperti klimatologi, perikanan, energi terbarukan, oseanografi maupun untuk penelitan hidrometeorologi. Suhu Permukaan Laut. Suhu pemukaan laut merupakan salah satu parameter meteorologi yang mempunyai peran penting dalam berbagai disiplin ilmu. Pemantauan suhu permukaan laut di Indonesia dilakukan oleh Stasiun Meteorologi Maritim yang dilakukan sebanyak empat kali sehari dengan cara konvensional yakni mencelupkan temometer air raksa sedalam satu meter pada permukaan air laut. Hasil pengamatan suhu tersebut kemudian digunakan sebagai salah satu parameter prakiraan cuaca maritim maupun untuk keperluan lainnya. Pengukuran secara konvensional tersebut memiliki banyak kelemahan dalam hal operasional. Pengamat harus datang ke tepi laut untuk dapat mencelupkan termometer air raksa dan kembali lagi ke kantor untuk melakukan pengolahan data, hal tersebut tidak efektif mengingat letak Stasiun Meteorologi Maritim memiliki jarak tertentu dengan tepi laut. Kelemahan lainnya adalah data suhu laut tidak dapat diperoleh dengan cepat, pengamat membutuhkan waktu untuk menyiapkan peralatan dan transportasi. Pengukuran konvensional juga dapat menghasilkan kesalahan pembacaan dari pengamat yang mengkibatkan ketidakakuratan data. Salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah melakukan pengukuran suhu permukaan laut secara tidak langsung menggunakan buoy yang dilenngkapi komunikasi telemetri. Buoy tersebut dirancang dengan memanfaatkan sensor termokopel tipe K, mikrokontroler serta modul komunikasi yang mudah didapatkan dan berbiaya rendah. Pengukuran suhu permukaan laut memerlukan sensor yang dapat beroperasi pada perariran dengan kondisi ekstrem dan salinitas tinggi. Das, Sarit K., Nandy Putra, dan Wilfried Roetzel telah menggunakan termokopel tipe K untuk mengukur suhu cairan mendidih dalam eksperimen karakterisitik kolam didih pada nano fluida [3]. Lelea, Dorin, Shigefumi Nishio, dan Kiyoshi Takano juga menggunakan Termokopel tipe K untuk mengukur suhu pada tabung mikro penghantar panas [4]. Pada penelitian ini, sensor suhu yang digunakan adalah termokopel tipe K dengan konfigurasi 2 kabel. Pengukuran suhu permukaan air laut dilakukan pada kedalaman 80 cm dari permukaan buoy [5]. Pengiriman data suhu permukaan laut dari wahana buoy ke stasiun di darat memerlukan media komunikasi nirkabel yang mudah diaplikasikan. Perkembangan teknologi telemetri telah memungkinkan memanfaatkan teknologi ini kedalam kegiatan pemantauan dan distribusi data secara cepat [6], sehingga pada wahana buoy ini, komponen telemetri dapat digunakan sebagai media komunikasi dari buoy ke ground station yang ada di darat. 108

Pemantauan Suhu Permukaan Laut Menggunakan Buoy Telemetri

Dalam penelitian ini, dirancang wahana buoy yang mampu melakukan pengukuran suhu permukaan laut dan mudah digunakan menggunakan pengendali mikrokontroler ATmega328 dan komunikasi telemetri. Pada buoy segment terdapat sensor suhu termokopel tipe K yang terintegrasi dengan mikrokontroler ATmega328. Data kemudian ditransmisikan menggunakan telemetri 915 Hz. Setelah ditransmisikan, ground segment akan menerima data suhu yang kemudian ditampilkan pada komputer dengan Visual Basic. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan data parameter suhu permukaan laut secra otomatis dan kontinyu tanpa melakukan pengukuran langsung secara konvensional. 2. Metode Penelitian Waktu dan Tempat Penelitian. Pembuatan buoy telemetri dilakukan di Laboratorium Instrumentasi, Program Studi Instrumentasi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang Selatan pada bulan April-Juli 2016. Pengujian alat dan kalibrasi dilakukan pada bulan Agustus 2016 di Laboratorium Kalibrasi Balai Besar Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Wilayah II Ciputat. Uji lapang dilakukan pada bulan Agustus 2016 di perairan Situ Gintung, Tangerang Selatan. Pengolahan dan analisis dilakukan di Tangerang Selatan pada bulan September 2016. Perancangan Wahana. Desain wahana mengadopsi model desain buoy oseanografi yang telah dikembangan oleh perusahaan comm-tech. Komponen wahana terdiri atas pelampung, rangkaian elektronika, dan jangkar. Pelampung terbuat dari stainless stell untuk memberi daya apung pada wahana. Perancangan Sistem Elektronik. Komponen elektronik terdiri dari mikrokontroler ATmega328 sebagai pengendali, penanda waktu DS1307, dan sensor suhu termokopel tipe K. Data yang diperoleh kemudian akan dikirim kepada stasiun penerima di darat melalui komunikasi serial menggunakan modul telemetri dengan frekuensi 915 MHz. Baterai 9 V dan panel surya digunakan sebagai catu daya rangkaian tersebut. Termokopel yang terlalu panjang bisa menangkap sinyal liar layaknya sebuah antena, karena output dari termokopel merupakan sinyal berfrekuensi rendah, perlu dipasang sebuah filter untuk menghilangkan sinyal frekuensi tinggi yang tidak lain adalah noise. Batas frekuensi antara sinyal yang dapat diteruskan dan yang diredam disebut dengan frekuensi cut-off. Frekuensi cutoff dapat ditentukan dengan persamaan 1 berikut:

𝑓" =

$ %&'(

(1)

dimana R adalah nilai hambatan, dan C adalah kapasitor. Penguat jenis non inverting digunakan dalam penelitian ini dengan pertimbangan penguat impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, selain itu sinyal input dari termokopel sebanding dengan kenaikan suhu. Besarnya penguatan tegangan output dari rangkaian penguat non inverting dapat dituliskan dalam persamaan 2 berikut:

109

Sugiarto dkk

𝑉*+, =

''./

+ 1 𝑉23

(2)

dengan Vout adalah tegangan keluaran, Rf adalah hambaran referensi, Rin adalah hambatan masukan, dan Vin adalah tegangan masukan yang berasal dari sensor. Tegangan keluaran tersebut selanjutnya diubah menjadi nilai digital melalui Analog to Digital Converter (ADC) 10 Bit yang terdapat pada ATmega328. Nilai digital yang telah didapatkan kemudian dikonversi dalam derajat Celsius dan dikirimkan melalui serial kepada ground segment. Sekematik fungsional komponen elektronika dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Perancangan fungsional elektronik

Perancangan Perangkat Lunak. Perangkat lunak yang digunakan dalam mikrokontroler ATmega328 adalah ArduinoIDE yang merupakan bahasa pemrograman opensource hasil pengembangan bahasa pemrograman C. ArduinoIDE digunakan dalam pembuatan program instruksi untuk mengambil, mengolah, dan mengirim data dari wahana buoy ke stasiun penerima. Kalibrasi dan Uji Lapang. Kalibrasi bertujuan untuk membandingkan data yang dihasilkan wahana buoy dengan alat standar yang tertelusur. Uji lapang bertujuan untuk memantau kinerja wahana dari berbagai segi seperti daya apung wahana, kestabilan berdasarkan pergeraka partikel air laut, sistem penambatan yang tepat, serta kinerja komponen elektronik dalam menghasilkan dan mengirim data. Proses pengujian dilakukan dengan pencuplikan data setiap 10 menit untuk dianalisa. Analisis Data. Hasil pengukuran termokopel tipe K berupa tegangan analog yang merepresentasikan suhu. Tegangan analog tersebut dihasilkan karena adanya efek seebeck yakni apabila dua macam logam yang berlainan disatukan akan timbul tegangan gerak elektrik antara dua titik A dan B yang terutama merupakan fungsi suhu persambungan [7].

∆𝑉 = 𝑆 𝑥 ∆𝑇 110

(3)

Pemantauan Suhu Permukaan Laut Menggunakan Buoy Telemetri

Pada persamaan 3, ΔV adalah perubahan tegangan, S adalah koefisien seebeck, dan ΔT adalah perubahan suhu. Nilai S akan berubah dengan perubahan suhu, yang berdampak pada nilai keluaran berupa tegangan termokopel tersebut, dan nilai S akan bersifat non-linear di atas rentang tegangan dari termokopel tersebut.

3. Hasil dan Pembahasan Skematik Sistem Minimum. Sistem minimum yang digunakan pada penelitian ini adalah mikrokontroler berbasis ATmega328P. Mikrokontroler ATmega 328 digunakan karena memiliki konsumsi daya yang rendah dan bentuknya yang kecil sehingga mudah dimasukan dalam kompartemen buoy. Catu daya sistem minimum berasal dari baterai 9 Volt yang dihubungkan dengan diode dan IC regulator 7805 untuk menghasilkan tegangan konstan pada nilai 5 Volt. Xtal yang digunakan pada sistem minimum tersebut adalah crystal 16 MHz. Rangkaian Sensor dan Pengkondisi Sinyal. Gambar 4 menunjukan rangkaian sensor dan pengkondisi sinyal yang dibuat menggunakan software simulasi proteus.

Gambar 2. Rangkaian minimum sistem

Sensor suhu termokopel tipe K berfungsi untuk merubah besaran fisis suhu menjadi besaran listrik yang sebanding. Tegangan keluaran termokopel naik linier sesuai dengan kenaikan suhu dalam derajat Celcius, yaitu 40.6 µV/ ℃ . Keluaran termokopel selanjutnya dihubungkan kepada pengkondisi sinyal yang berisi filter dan amplifier. Pengkondisi sinyal terdiri dari rangkaian amplifier dan filter. Amplifier yang digunakan dengan penguatan/gain sebesar 301. Rangkaian amplifier terdiri dari IC LM324N, resistor 300K dan 1K. Filter yang digunakan adalah jenis low pass filter dengan frekuensi cut-off 3 Hz yang terdiri dari komponen resistor 5.1K dan kapasitor 10uF. 111

Sugiarto dkk

Desain Buoy Segment. Perancangan buoy menggunakan pompa air bekas berbahan stainless steel, pada bagian atas terdapat pipa untuk menempatkan antena telemetri. Sensor terdapat di ujung bawah buoy dan diletakkan dengan kedalaman 1 meter dibawah permukaan air laut dengan besi mooring sebagai pemberatnya. Pada bagian atas terdapat antena transmitter untuk mengirim informasi suhu permukaan laut yang nantinya diterima antena receiver dan diteruskan ke PC yang terdapat di ground segment untuk diolah. Gambar 3 merupakan desain umum buoy pengukur suhu permukaan laut.

Gambar 3. Desain dan dimensi teknis buoy pengukur suhu permukaan laut.

Komparasi. Komparasi dilakukan dengan membandingkan termometer standar merek Fluke Hart Scientific dengan sensor termokopel tipe K pada komponen elektronika wahana buoy yang telah dirancang. Proses komparasi menggunakan bantuan Temperature Test Chamber merek Theodor Friedrichs & Co. Pada proses komparasi, digunakan 5 set point yaitu pada 10ºC, 15ºC, 20ºC, 25ºC, dan 30ºC. Pembacaan pada alat standar dicatat dalam derajat Celsius, sedangkan pada alat yang akan diuji dibaca dalam nilai tegangan keluaran. Tabel 1 menunjukkan hasil komparasi yang telah dilakukan menggunakan media temperature test chamber.

112

Pemantauan Suhu Permukaan Laut Menggunakan Buoy Telemetri Tabel 1. Data Hasil Komparasi Set Point (°C)

Chamber (°C)

SST (mV)

SST (°C) Fungsi Transfer

10

9.991 9.75 9.71 9.726 9.961 15.11 14.97 15.014 14.94 14.849 20.2 20.3 20.031 20.037 20.072 25.154 25.263 25.248 25.222 25.205 30.087 30.139 30.15 30.128 30.105

730 732 730 729 727 789 787 790 791 790 853 856 853 852 852 913 915 915 915 905 979 981 983 980 981

10.00 10.16 10.00 9.92 9.76 14.70 14.54 14.78 14.86 14.78 19.79 20.03 19.79 19.71 19.71 24.57 24.73 24.73 24.73 23.93 29.82 29.98 30.14 29.90 29.98

15

20

25

30

Standar Deviasi

Koreksi -0.01 -0.41 -0.29 -0.19 0.20 0.41 0.43 0.24 0.08 0.07 0.41 0.27 0.24 0.32 0.36 0.58 0.53 0.52 0.49 1.27 0.26 0.15 0.01 0.22 0.12 0.3229696

Berdasarkan perbandingan tegangan keluaran termokopel dengan suhu thermometer standar maka dapat diketahui bahwa tegangan termokopel pada saat suhu 0ºC adalah 604.4 mV dan terjadi kenaikan 12.5 mV setiap satu derajat Celsius. Uji Lapang. Pada pengujian lapangan pertama dilakukan pemasangan buoy pada perairan situ gintung pada beberapa saat untuk menentukan titik keseimbangan dan kemungkinan kebocoran. Pada proses uji lapang pertama didapatkan hasil yaitu titik keseimbangan buoy telah sesuai, hal tersebut ditandai dengan buoy yang mengambang lurus dan tidak terbalik. Salah satu permasalahan yang muncul adalah kebocoran kecil pada bagian besi mooring sehingga buoy hanya dapat mengambang selama 5 menit. Uji Lapang kedua dilaksanakan untuk mengetahui keberhasilan pengiriman data dan pengujian daya tahan sensor terhadap air setelah sebelumnya dilakukan penambalan kebocoran. Hasil yang didapatkan adalah wahana buoy yang diletakkan di tengah perairan dapat megirim data ke laptop yang berada di tepi perairan dengan perkiraan jarak 200 meter. 113

Sugiarto dkk

4. Kesimpulan Wahana buoy yang telah dirancang dapat mengapung dengan baik di perairan dan berhasil mengirimkan data suhu ke ground station menggunakan komunikasi telemetri. Hasil komparasi menunjukan standar deviasi 0.3229696 yang berarti hasil pengukuran sensor termokopel cukup bagus apabila dibandingkan dengan alat standar terkalibrasi. Sensor termokopel tipe K memiliki ketahanan yang bagus dalam aplikasi di perairan yang ditandai dengan kontinuitas dalam menghasilkan data tegangan yang kemudian dikonversi menjadi suhu.

Ucapan terima kasih Terima kasih yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada bapak Suko Prayitno Adi selaku Ketua Sekolah Tinggi Meteorologi dan Geofisika (STMKG), dan bapak Agus Tri Susanto selaku Kepala Program Studi Instrumentasi. Ucapan terimakasih penulis ucapkan juga kepada dosen mata kuliah perancangan sistem bapak Adi Bagus Putranto dan bapak Wahyu Nugroho atas kerjasamanya dalam penelitian pemantauan suhu permukaan laut menggunakan buoy telemetri.

Daftar Pustaka 1. Bidlot, J. R., Holmes, D. J., Wittmann, P. A., Lalbeharry, R., & Chen, H. S. (2002). Intercomparison of the performance of operational ocean wave forecasting systems with buoy data. Weather and Forecasting, 17(2), 287-310. 2. Gricius, G., Drungilas, D., Andziulis, A., Dzemydiene, D., Voznak, M., Kurmis, M., & Jakovlev, S. (2015). Advanced approach of multiagent based buoy communication. The Scientific World Journal.M.A. Baqiya, T. Heriyanto, D. Kurniawan, M. Anwar, Darminto, Jurnal Sains Materi Indonesia, 102 – 105, Oktober 2007. 3. Das, S. K., Putra, N., & Roetzel, W. (2003). Pool boiling characteristics of nanofluids. International journal of heat and mass transfer, 46(5), 851-862.H. Kai, C-Y. Xu, L. Zhen, e-Z. Shao, Materials Letters 61 (2007) 303. 4. Lelea, D., Nishio, S., & Takano, K. (2004). The experimental research on microtube heat transfer and fluid flow of distilled water. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(12), 2817-2830. 5. Gower, J. F. R. (2002). Temperature, wind and wave climatologies, and trends from marine meteorological buoys in the northeast Pacific. Journal of Climate, 15(24), 3709-3718. 6. Samsi, D. (2013). Pemanfaatan Teknologi Telemetry Untuk Pengawasan dan Pengendalian Pencemaran Air Sungai. Jurnal INKOM, 6(2), 103-111. 7. Diasyari, A. (2015). Analisis Elektromotansi Termal Antara Pasangan Logam Aluminium, Nikrom dan Platina Sebagai Termokopel.

114