Pengukuran RESISTIVITAS batuan. • •
• • •
Resistivitas adalah kemampuan suatu bahan atau medium menghambat arus listrik. Pengukuran resistivitas batuan merupakan metode AKTIF, yaitu pengukuran dengan memberikan arus listrik ( I ) melalui elektroda arus dan mengukur beda potensial ΔV pada elektroda potensial. Sesuai dengan hukum OHM, maka harga resistivitas dapat dihitung dari perhitungan R sama dengan ΔV dibagi dengan I. Syarat untuk memperoleh harga ukur ΔV yang benar adalah “input impedansi” dari volt meter harus besar ( >10 MOhm.) Untuk menghindari terjadinya polarisasi pada elektroda, digunakan arus bolak-balik dengan frekuensi rendah.
Rangkaian pengukuran. •
Pengukuran R
I V
R
V
I
V
V R
(a) R sama dengan V dibagi I bila tahanan dalam volt meter sama dengan tak >10 M Ohm.) berhingga ((>
(b) R sama dengan V dibagi I bila tahanan dalam amperemeter sama dengan nol
Pengukuran resistivitas “sample” batuan. •
Sample dengan luas penampang A. I
∆V R= I
L
ρL R= A A
ΔV
∆V A ρ= Ω.m I L
Penggunaan 4 elektroda. •
Dalam geofisika pengukuran resistivitas menggunakan skema ( a ) dengan menggunakan empat buah elektroda untuk menghilangkan pengaruh tahanan kontak terhadap hasil ukur.
∆V ρ=K I
I ΔV C1
P1
P2
C2 K : faktor geometri. C1 dan C2, elektroda arus P1 dan P2, elektroda potensial
Daya tembus arus listrik, •
Arus listrik yang melalui medium tanah/batuan menyebar dari elektroda membentuk garis arus yang rapat arusnya semakin dalam semakin kecil, rapat arus terbesar di dekat permukaan. C1
P1
P2
C2
z
•
Daya tembus z, sebanding dengan setengah jarak elektroda arus C1-C2.
Pengukuran resistivitas “mapping” dan “sounding” “mapping” adalah pengukuran resistivitas kearah mendatar, kearah sumbu x atau y, dengan jarak elektroda tetap (daya tembus tetap). Survei ini bertujuan memperoleh harga resistivitas sebagai fungsi posisi (x,y), dengan (z) tetap. • “sounding” adalah pengukuran resistivitas di suatu titik tetap, kearah kedalaman (z), berarti jarak elektroda arus dibuat semakin besar (daya tembus semakin dalam). Survey ini bertujuan untuk mengetahui harga resistivitas sbegai fungsi kedalaman (z) dengan posisi (x,y) tetap. •
Materi Praktikum (3), Pengukuran Resistivitas air •
Rangkaian, S
I
air L
K V I :amperemeter V:voltmeter S:sumber (power supply) K:kompensator
Materi Praktikum (3), pengukuran resistivitas air 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Pasanglah rangkaian seperti pada skema. Isi kotak kaca dengan air. Sebelum dialirkan arus listrik, ukurlah potensial yang terbaca pada DVM, aturlah kompensator sehingga DVM menunjuk nol. Hidupkan sumber, segera baca arus listrik ( I ) dan baca ( V ). Matikan sumber, baliklah arah arusnya, ulangi pembacaan seperti langkah ( 4 ). Ukurlah ( V ) untuk bermacam-macam harga ( I ). Buatlah grafik hubungan antara V dan I, hitunglah R. Ukurlah luas penampang (air) dan jarak elektroda potensial. Hitung harga resistivitas r. Buatlah bahan ( larutan ) yang lain, hitung resistivitasnya.
Pengukuran resistivitas di lapangan Masalah ( gangguan )yang timbul, di lapangan •
•
•
Adanya potensial yang disebabkan proses elektrokimia yang terjadi pada elektroda, sehingga timbul beda potensial pada elektroda potensial, meskipun belum dialirkan arus pada elektroda arus. Adanya potensial alam yang disebabkan oleh proses polarisasi pada daerah yang banyak terdapat mineral logam (senyawa sulfida) disebut dengan “natural potential” atau “self potential” yang mengganggu pembacaan harga beda potensial karena adanya arus listrik. Adanya tahanan kontak atau “contact resistance” antara elektroda dan medium (tanah), menyebabkan kesalahan pada pembacaan beda potensial, sehingga menyebabkan kesalahan pada perhitungan harga dalam pengukuran resistivitas.
Cara mengatasi gangguan. Potensial pada elektroda •
Untuk menghilangkan pengaruh potensial pada elektroda potensial, maka digunakan elektroda potensial yang terdiri dari logam yang dicelupkan pada larutannya sendiri yang dimasukkan pada tempat yang berpori-pori, elektroda semacam ini disebut “porus pot electrode” atau “non polarizable electrode”. Tembaga (Cu)
Larutan (CuSO4)
Keramik berpori
P
Mengatasi potensial alam, •
Di alam kadang-kadang timbul potensial karena terbentuknya “cell” karena proses oksidasi dan reduksi di daerah yang merupakan akumulasi mineral sulfida. Potensial ini dapat dikompensasi dengan membuat sumber potensial menggunakan baterei yang dapat diatur sehingga jumlah potensialnya menjadi nol.
VP
VK
K P1
P2 VSP
VK Rangkaian kompensator Aturlah VK sedemikian sehingga VP yang terbaca = nol. ( sebelum ada arus)
Pengukuran resistivitas di lapangan Masalah tahanan kontak.
•
•
•
Tahanan kontak adalah tahanan yang timbul karena kontak antara elektroda logam dan medium (tanah), tahanan kontak antara logam dengan logam sama dengan nol. Arus yang dialirkan ke elektroda arus “sulit” masuk ke tanah bila tahanan kontak pada elektroda arus terlalu besar, untuk mengatasinya tahanan kontak diperkecil dengan menyiramkan air pada elektroda arus. Tahanan kontak pada elektroda potensial tidak mempengaruhi harga pembacaan beda potensial, bila tahanan dalam dari alat ukur potensial jauh lebih besar dari tahanan kontaknya.
Sifat resistivitas batuan, •
•
•
Batuan mempunyai sifat menghantarkan arus listrik yang besarnya tergantung pada frekuensi arus yang dimasukkan, jadi bukan seperti tahanan murni dimana harga resistivitas tidak tergantung pada frekuensi. Resistivitas batuan tergantung pada frekuensi disebabkan karena adanya sifat kapasitif yang terjadi pada bidang batas antara bagian padat dan larutannya. Sifat kapasistif terjadi karena adanya penumpukan muatan negatif pada permukaan bagian padat dan penumpukan ion positif pada larutannya, jajaran muatan ini disebut “electrical double layer”atau lapisan kembar listrik. Jadi secara analogi rangkaian listrik, seolah-olah resistivitas batuan terdiri dari tahanan murni yang terpasang seri dan paralel dengan suatu kapasitor.
Resistivitas sebagai fungsi frekuensi, •
Pada umumnya, resistivitas batuan tinggi pada frekuensi < 1 Hz, dan mempunyai nilai lebih rendah pada frekuensi > 10 Hz, sedang pada frekuensi antara 1 sampai 10 Hz disebut daerah transisi.
ρ
-1
0
1
10
log f
Pengukuran ρ, instrumen •
•
•
Pengukuran resistivitas mula-mula menggunakan arus searah ( DC resistivity), karena penggunaan arus searah menimbulkan polarisasi pada elektrodanya, maka pengukuran resistivitas kemudian menggunakan arus bolak-balik. Polarisasi elektroda adalah proses kimia yang terjadi pada elektroda bila diberi tegangan searah, pada anoda akan terjadi penumpukan ion negatif sedang pada katoda akan terjadi penumpukan ion positif. Penumpukan ion ini akan menghambat aliran arus ke medium, sehingga arus listrik semakin lama semakin kecil. Arus bolak-balik mencegah timbulnya polarisasi, karena sebelum terjadi penumpukan ion, polaritas elektroda sudah dibalik, yang positif menjadi negatif dan sebaliknya.
Cara pengukuran, •
•
•
•
Pada instrumen lama, pengukuran menggunakan “continous wave”, jadi arus dikirimkan terus sampai proses pengukuran selesai ( harga arus I dan beda potensial V sudah terbaca). Pada instrumen baru, pengiriman arus hanya selama satu periode saja, yaitu misalnya selama setengah detik dikirim arus positif kemudian setengah detik berikutnya dikirim arus negatif. Pengukuran menggunakan sumber arus konstan (constant current source), agar arus yang dikirim besarnya tetap walaupun pada elektroda terjadi polarisasi. Pengukuran potensial dilakukan dengan parangkat digital, sehingga perhitungan harga beda potensial rata-rata (selama satu periode) lebih teliti.
Pengukuran resistivitas dengan arus bolak-balik. •
Pengukuran Resistivitas dengan arus bolak-balik. I 1 detik
∆V 1 detik
Efek kapasitif
1. Pengukuran ρ dengan sumber arus konstan (“constant current source”) dengan frekuensi rendah (untuk menghindari polarisasi). 2. Pengukuran beda potensial dilakukan dengan menghitung harga rata-rata pada saat arus positif dan pada saat arus negatif. 3. Harga ρ dihitung = K [ ∆V/ I]
Pengukuran efek polarisasi. •
• •
•
Efek polarisasi, yaitu terjadinya proses elektro kimia pada bidang batas antara bagian batuan padat dengan larutannya. Efek polarisasi menyebabkan timbulnya potensial ekstra yang disebut “over voltage” terjadi lebih banyak bila frekuensi arus yang dimasukkan rendah, atau mendekati arus searah. Setelah arus dimatikan, potensial polarisasi akan terdeteksi dan turun perlahan ( dalam orde detik), disebut “decay potential”. “Decay Potential” merupakan indikator besarnya polarisasi, bila potensial ini direkam, dan dihitung harga integralnya maka besaran yang dihitung dinamakan “chargeability” ( M ), makin besar polarisasi makin besar “chargeability”. Daerah yang banyak mengandung mineral senyawa sulfida harga M besar.
Polarisasi Terinduksi ( Induced Polarization) •
Prinsip pengukuran, TIME DOMAIN – Kawasan Waktu. I
∆V(mV) T t
V(t) t1
∆V
t
t2
Chargeability t2
1 M = V (t )dt ∫ Vm t1
Polarisasi Terinduksi, • •
Pengukuran, FREQUENCY DOMAIN, Kawasan Frekuensi. Dilakukan dengan mengukur harga resistivitas pada dua frekuensi, kemudian dihitung besaran yang disebut “Percent Frequency Effect” atau PFE, yaitu perubahan harga resistivitas pada frekuensi tinggi dan frekuensi rendah.
ρL − ρH PFE = × 100% ρH ρL : harga resistivitas pada frekuensi rendah ( 0,1 Hz.) ρH : harga resistivitas pada frekuensi tinggi ( 10 Hz.)
Sumber arus, resistivitas dan beda potensial. •
•
•
•
Besaran yang diukur adalah arus listrik ( I ), beda potensial (∆V ) untuk menghitung resistivitas. Untuk susunan elektroda Wenner, maka harga K =2 πa, =2π sehingga untuk a = 2 meter, maka K = 12,5 m. Bila resistivitas permukaan = 100 ohm-m, berarti harga resistansi adalah 100 dibagi dengan 12,5 sama dengan 8 ohm. Dari hukum ohm, bila arus yang dimasukkan ke tanah/medium 1 mA maka beda potensial yang terukur adalah 8 mV.
∆V ρ=K I CATATAN : ∆V sebesar 8 mV, cukup untuk dibaca dengan alat DVM. Jadi selama harga ∆V masih dapat dibaca dengan jelas, arus listrik dibuat sekecil mungkin, untuk menghemat energi dan mengurangi energi yang berubah menjadi panas.
Sumber arus untuk medium yang kering, •
•
Daerah kering mempunyai resistivitas yang tinggi, maka untuk dapat memasukkan arus ke medium/tanah diperlukan sumber arus dengan tegangan yang tinggi, biasanya sampai sekitar 400 V. Untuk keperluan ini harus dibuat “DC to DC Converter”, yaitu perangkat yang berfungsi menaikkan tegangan dari 12 Volt, menjadi 400 Volt (DC).
+ 12 V -
12 V ac
400 V ac
Osilator
Penyearah
POWER
(rectifier)
1000 Hz
Trafo Trafo””step-up step-up””
+ -
400 V-DC
DC to DC Converter •
• • •
•
Osilator membangkitkan gelombang dengan frekuensi 100 Hz, penguat daya memperbesar daya keluaran dari osilator ini untuk diumpanklan ke sebuah Trafo step-up. Trafo step-up berfungsi menaikkan tegangan bolak-balik, dari 12 V (ac) menjadi 400 V (ac). Tegangan keluaran dari trafo disearahkan, sehingga keluaran menjadi 400 V DC. Sesuai dengan hukum kekekalan energi, dan menganggap tidak panas yang hilang, maka bila dikehendaki daya keluaran maksimum adalah 400 Watt, berarti arus maksimum yan dapat ditarik adalah sebesar 1 Ampere. Arus yang ditarik dari “aki” 12 V adalah (400 W)/ 12 V sama dengan 33,3 Ampere.
