PERANCANGAN SISTEM KALIBRASI SEISMOMETER SHORTPRIODE TDV-23S SECARA RELATIF MENGGUNAKAN GELOMBANG SINUS Benyamin Heryanto Rusanto, M.Si PMG Muda Sub Bidang Kalibrasi Peralatan Geofisika BMKG
INTISARI Seismometer short-priode TDV-23S mempunyai parameter penting yang berpengaruh dalam pengolahan data seismik, terutama parameter gempa bumi seperti magnitude yaitu sensitivitas. Oleh karena itu diperlukan kalibrasi sehingga dihasilkan pengukuran yang akurat. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan nilai paramater seismometer yaitu sensitivitas beserta nilai ketidakpastiannya sehingga tertelusur ke satuan international, dengan merancang sistem kalibrasi seismometer secara relatif menggunakan gelombang sinus. Perancangan sistem kalibrasi dilakukan baik secara hardware maupun software. Pada hardware dirancang sistem low noise digitizer dengan ADC (Analog to Digital Converter) beresolusi 16 bit, sedangkan untuk pengolahan dan analisa data kalibrasi digunakan software builder LabVIEW. Dari data hasil pengujian hardware dan software, maka unjuk kerja perancangan sistem kalibrasi adalah cukup baik karna di bawah 5 % , selisih dengan peralatan operasional yang terpasang mempunyai selisih sekitar 3 %.
Kata Kunci: Seismometer, Kalibrasi, Katidakpastian ABSTRACT Short-period seismometers TDV-23S have a value of important parameters that influence the processing of seismic data, especially parameter such as magnitude earthquake that sensitivity. It is therefore necessary if the calibration to produce an accurate measurement. This study aims to obtain parameter values and their sensitivity seismometers that uncertainty value traceable to international units, by designing a relative calibration system seismometers using a sine wave. Designing the system calibration is done both in hardware and software. On the hardware system designed low noise ADC resolution digitizer with 16 bits, while for the processing and analysis of calibration data used LabVIEW software builder. From the test data hardware and software, the performance of the system design is pretty good calibration can be seen from the difference between the operational equipment installed has a margin of about 3%.
Keywords: Seismometer; Calibration; Uncertainty
1. PENDAHULUAN Dalam suatu sistem pengamatan gempa bumi dan peringatan dini, diperlukan seismometer yang handal untuk menghasilkan data yang akurat.
Data yang akurat
tersebut dihasilkan dari instumen yang telah terkalibrasi. Belum adanya Laboratorium kalibrasi yang terakriditasi Komisi Akreditasi Nasional dengan ruang lingkup seismometer, mengakibatkan lembaga-lembaga baik pemerintah maupun swasta mengalami kesulitan untuk mengkalibrasi seismometernya. Oleh sebab itu, pada penelitian ini akan dilakukan perancangan sistem kalibrasi seismometer yang memenihi persyaratan standar untuk suatu laboratorium kalibrasi (ISO 17025). Penelitian mengenai perancangan sistem kalibrasi telah banyak dilakukan. Diantaranya, untuk seismometer dengan coil tunggal, metode klasik yang paling sering digunakan adalah yang telah dilakukan oleh Willmore [1] dan dimodifikasi oleh White [2] di mana seismometer dipandang sebagai sensor dengan empat unsur dari suatu resistor balanced bridge. Dengan cara yang sama, Mitronovas & Wielandt [3] menggambarkan penggunaan gambar Lissajous untuk pengukuran fase shift antara dua sinyal sinusoidal yaitu sinyal yang diinputkan ke coil calibration dan sinyal dari tegangan output seismometer. Untuk nilai frekuensi alami seismometer yang berosilasi, pergeseran antara percepatan tanah dan tegangan output coil akan menjadi nol. Pavlis & Vernon menjelaskan bahwa adanya kemungkinan melaksanakan kalibrasi relatif dengan presisi menggunakan background noise sebagai sinyal input, dengan menggunakan dua seismometer, yaitu satu seismometer dengan frekuensi respon yang telah diketahui dan satu lagi seismometer yang ingin diketahui frekuensi responnya, dengan meletakkan berdekatan satu sama lain, dan diasumsikan bahwa keduanya berada di bawah seismic vault yang sama (homogen). Namun, pada penelitian tersebut belum dihasilkan nilai senstivitas, serta data yang dihasilkan hanya dalam bentuk spectrum [4]. Rodgers menggunakan metode kalibrasi harmonic berdasarkan perhitungan respons seismometer untuk step impulse, yang terjadi ketika menginputkan step current ke coil calibration [5]. Dengan cara yang sama, Berger
menggunakan estimasi untuk kalibrasi
seismometer broadband, dimana hal tersebut menunjukkan bahwa, ketika coil calibration diberikan sinyal pseudo-random biner, maka perhitungan konstanta generator elektromagnetik dapat dilakukan [6].
Mengenai kalibrasi absolut dan kalibrasi harmonik ada beberapa metode yang beragam berdasarkan dari sinyal yang diinputkan ke coil calibration seismometer. Wiedlant dan Havskov & Alguacil dalam hal ini menjelaskan beberapa metodologi yang digunakan[7][8]. Juga, Bormann menjelaskan cara alternatif untuk mensimulasikan gerakan tanah menggunakan perangkat mekanik, yang memungkinkan untuk menempatkan seismometer untuk gerakan amplitude vertikal, dalam domain waktu, dan untuk mengetahui sinyal respon sensor. Metode yang disebut "stepwise motion" menghitung respon perpindahan dengan cara deconvolution, interpolasi dan selanjutnya integrasi sinyal yang terekam[9]. Ringler & Storm dalam penelitiannya, melakukan estimasi ketidakpastian sensitivitas seismometer dengan menggunakan gelombang mikroseismik. Namun, pada penelitian tersebut belum menggunakan seismometer referensi yang terkalibrasi ke standar internasional[10]. Metode kalibrasi yang biasa digunakan setelah peralatan seismik dipasang di lokasi pengamatan gempa bumi adalah dengan menggunakan metode relatif yaitu kalibrasi dengan gelombang sinus (sinewave calibration). Kalibrasi gelombang sinus adalah kalibrasi relatif seismometer ketika gelombang sinus dengan frekuensi dan amplitudo diketahui sebagai masukan kumparan kalibrasi (coil calibration) seismometer tersebut.
Keuntungan menggunakan metode sinewave calibration adalah kemudahan
dan efisien dalam hal peralatan yang digunakan dan waktu pelaksanaan. Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat sistem kalibrasi baik hardware maupun software yang meliputi pengukuran parameter-parameter seismometer sehingga di dapat nilai sensitivitas beserta ketidakpastiannya dan tertelusur ke standar internasional..
2. TEORI DASAR Sensitivitas seismometer (S) didefinisikan sebagai besaran listrik berbanding dengan besaran fisis dalam hal ini tegangan berbanding dengan velocity :
......................................................................................
1
Velocity dihitung dengan menggunakan parameter di dalam datasheet seimometer seperti momen inersia I (kg.m2), reduce pendulum length (m) sensitivity coil calibration (V/m/s) dan arus input yang diberikan (A) ..................................................................................
2
dimana: a
= percepatan (m/s2)
�
= percepatan sudut (rad/s)
f
= frekuensi gelombang sinus yang diberikan (Hz)
Percepatan a dihutung menggunakan persamaan a = C.I
..........................................................................................................
3
dimana: a
= percepatan (m/s2)
I
= Arus yang diberikan (Amper)
C
= Konstanta coil calibration (m/s 2/A)
Pada umumnya konstanta coil calibration seismometer (C) sudah diberikan dalam data sheet seismometer (seperti seismometer merk Trillium, Geodevice dll), apabila parameter tersebut belum diketahui maka dihitung menggunakan parameter-parameter lain yang ada pada datasheet seismometer tersebut. Seperti seismometer TDV-23S yang digunakan dalam penelitian ini, konstanta coil calibration seismometer (C) dihitung menggunakan persamaan : ........................................................................................................... dimana: C
= konstanta coil calibration (m/s2/A)
Sc
= sensitivitas coil calibration (V/m/s)
M
= massa (kg)
4
Massa M (kg) didapat dari parameter momen inersia I dan panjang pendulum L ..........................................................................................................
5
dimana: I
= Inersia (kg.m2)
l
= panjang pendulum (m)
3. METODOLOGI Alur penelitian meliputi beberapa tahapan antara lain studi literatur, penyiapan alat dan bahan penelitian, perancangan digitizer 16 bit, pembuatan hardware dan software, pengambilan data serta analisa dan interpretasi data pengukuran. Dimulai dengan studi literatur yaitu menentukan kebutuhan apa saja yang akan diinginkan berdasarkan sistem kalibrasi yang akan dibuat sehingga mendapatkan ide untuk pemilihan bahan-bahan dan peralatan yang akan digunakan dalam perancangan sistem. Pemilihan bahan dan peralatan juga disesuikan dari kalibrator yang digunakan dan seismometer yang akan digunakan untuk dikalibrasi. Akhir dari sistem akuisisi adalah menampilkan real-time data dan pengolahan data pada komputer menggunakan software builder LabVIEW. Perancangan hardware terdiri atas studi karakteristik sensor, studi karakteristik ADC 16 bit, perancangan skematik dan board PCB menggunakan program Eagle, dan pemrograman mikrokontroller mengikuti literature [11].
Gambar 1. Rancangan Umum Sistem Kalibrasi Seismometer secara Relatif
Pada rancang sistem kalibrasi seismometer yang telah terintegrasi yang dapat digunakan untuk mengkalibrasi seismometer secara relatif menggunakan function generator yang terkalibrasi yaitu GW-Instek GFG-3015 seperti terlihat pada Gambar 1. Data analog dari seismometer akan diubah ke digital melalui perancangan hardware dan kemudian data digital menjadi masukan bagi LabVIEW untuk selanjutnya ditampilkan real-time nya serta pengolahan dan penyimpanan data hasil kalibrasi. Dengan sistem kalibrasi ini diharapkan dapat menghasilkan hasil kalibrasi yang sesuai dengan ISO 17025 yaitu hasil kalibrasi yang akurat, tertelusur dan mencantumkan nilai uncertainty (Unc) atau ketidakpastianya. Dalam perancangan ini digitizer mempunyai fungsi utama merubah sinyal analog ke sinyal digital atau analog to digital converter (ADC) yang akan diproses lebih lanjut dalam sistem software. Adapun diagram blok dari digitizer dapat dilihat pada Gambar 2. A NA L OG
A NA L OG
S E R IA L C O M
A DC LTC1605 PARAL EL 1 6 B IT
ATm ega 32
M U L T IP L E X E R DG5 0 8
Gambar 2. Blok Diagram Digitizer
ADC yang digunakan memiliki single input maka diperlukan multiplexer untuk menambah input analog, seismometer memberikan 3 sinyal input analog yang akan masuk ke multiplexer. Multiplexer yang digunakan adalah DG508. Mikrokontroller merupakan inti dari sistem yang dibangun ini, sehingga pemrograman di mikrokontroller menjadi faktor yang sangat penting karena untuk mengendalikan multiplexer dan ADC. IC (ADC) yang digunakan adalah LTC1605 dari Linear Technology yang dikontrol melalui Digital Control Sinyal dengan microcontroller. Output dari ADC berupa data parallel 16 bit. Perancangan software akuisisi dimaksudkan untuk penampilan data digital dari Microcontroller berupa data text dalam count ditampilkan dalam bentuk grafik, sehingga bentuk sinyal dapat terlihat. Software aquisi juga digunakan untuk penyimpanan data. Bagian Blok diagram software akuisisi secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3, pertama-tama data serial dibaca terlebih dahulu dengan menentukan com port, baudrate,
data bit, parity dan flow control yang harus disamakan dengan ketika setting komunikasi serial pada mikrokontroller Atmega 32. Setelah membaca data serial maka data yang terdiri dari 3 (tiga) channel setiap barisnya dipisahkan menjadi masing-masing channal oleh suatu fungsi string yaitu scan from string, format yang dipakai adalah #a %6s b %6s c %6s* tanda % memberi arti banyaknya data yang akan dipisahkan sedangkan 6s berarti ada 6 digit string yang akan diambil setiap channel. Setelah data dipisahkan per channel maka supaya bisa dapat diolah dan ditampilkan data dirubah menjadi format number dengan Fract/Exp String to Number. Tampilan data dilihat dalam bentuk wave form menggunakan fungsi wave form chart. Untuk menyimapan data dalam bentuk text file maka aliran blok diagram yaitu melalui fungsi create file, write to binary file, close file dan Simple Error Handler.vi. Untuk format datanya digunakan fungsi format into file dan fungsi Concatenate String untuk menentukan header datanya. Pengambilan data kalibrasi dilakukan ketika perancangan hardware dan software sistem kalibrasi telah selesai.
Pertama-tama akan dilakukan pengujian software
pengolahan data kalibrasi relatif dengan cara membandingkan dengan software pengolahan data kalibrasi dari pabrikan atau peralatan operasional (Self Cal). Pada penelitian ini diambil tiga lokasi berbeda yaitu stasiun geofisika Tretes Jawa Timur, stasiun Geofisika Manado dan Laboratorium Kalibrasi BMKG. Setelah pengujian software dilakukan maka berikutnya kalibrasi dilakukan dengan hardware hasil rancangan sistem kalibrasi. Pengujian hardware ini dilakukan di Laboratorium Kalibrasi BMKG, sehingga menggunakan peralatan kalibrator yang telah tertelusur seperti Fuction Generator yang telah terkalibrasi oleh Laboratorium Kalibrasi Telkom MSC Cibinong.
Gambar 3. Contoh Tampilan di block diagram software akuisisi
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada pengujian software pengolahan data kalibrasi relatif menggunakan gelombang sinus 1 Hz, dapat dilihat pada Tabel 1 bahwa total selisih rata-ratanya dengan software pengolahan data kalibrasi dari pabrikan atau peralatan operasional (Self Cal) adalah untuk Stasiun geofisika Tretes 0,35 %, Stasiun geofisika Manado 0,18 %, sementara untuk Laboratorim kalibrasi yang berlokasi di Jakarta 3,28 %. Tabel 1. Hasil Kalibrasi Relatif
Stageof Tretes
EW NS UD
Sensitivitas (V/m/s) 1134,65 1126,09 1168,06
Stageof Manado
EW NS UD
1341,55 1345,41 1337,72
9,16 9,54 9,79
1333,90 1341,41 1342,29
0,57 0,30 0,34
Lab Kalibrasi Jakarta
EW NS UD
1155,74 1154,86 1191,48
0,79 0,57 0,46
1122,85 1102,72 1165,90
2,93 4,73 2,19
Lokasi
0,22 0,14 0,13
Self Cal (V/m/s) 1129,35 1122,38 1165,02
Selisih (%) 0,47 0,33 0,26
±
Dapat dilihat bahwa dari selisih dua lokasi yaitu Stasiun geofisika dan Stasiun geofisika Manado sensitivitas adalah sangat kecil ( < 0,35 %) sehingga dapat dikatan bahwa perancangan software sistem kalibrasi memiliki unjuk kerja yang bagus. Untuk Selisih nilai sensitivitas di Laboratorim kalibrasi Jakarta disebabkan karena perbedaan metode perhitungan dalam software pengolahan data kalibrasi. Kalibrasi relatif seismometer menggunakan hasil perancangan sistem kalibrasi baik hardware maupun software di Laboratorium Kalibrasi BMKG dilakukan dengan menggunakan sinyal input dari function generator yang terkalibrasi (GW-INSTEK GFG3015) dan seimometer yang dikalibrasi adalah tipe short-priode seismometer TDV-23S dengan no seri V23S101006, kalibrasi dilakukan pada tanggal 5 Desember 2014. Kalibrasi dimulai dengan menentukan nilai parameter gelombang sinus yang akan diberikan seperti besarnya arus yang diberikan dalam (mA) dan frekuensi yang akan digunakan.
Gambar 4. Sine Kalibrasi Seismometer TDV-23S Sn. V23S110801 Menggunakan Digitizer 16 bit
Pengambilan data dilakukan dengan menginputkan gelombang sinus dari function generator yang terkalibrasi ke digitizer hasil perancangan sistem seperti terlihat pada Gambar 4 kemudian data ditampilkan dan disimpan melalui program real-time LabVIEW. Diberikan gelombang sinus 1 Hz dengan arus 4 mA, dari function generator terkalibrasi, pada gambar hasil kalibrasi sinewave terlihat masih ada noise di dalam sinyal, yang harus di analisi lebih lanjut, noise ini bisa mempengaruhi peak detection software. Tabel 2. Sensitivitas Seismometer TDV-23S Sn. V23S110801
Arah EW NS UD
Sensitivitas (V/m/s) 1072,65 ± 28,10 1072,3 ± 20,81 1078,6 ± 18,14
Self Cal (V/m/s) 1122,85 1102,72 1165,90
Selisih (%) 4,47 2,76 7,49
Hasil kalibrasi Seismometer TDV-23S Sn. V23S110801 berdasarkan Tabel 2. terlihat bahwa nilai sentivitas dari data yang dihasilkan digitizer hasil perancangan
mempunyai total selisih rata-rata sekitar 5 % dari nilai sensitivitas awal seismometer (Self Cal).
5. KESIMPULAN Perancangan Sitem Kalibrasi Seismometer secara Relatif telah berhasil dibuat dengan dibuktikan dari hasil pengujian data akuisisi dan pengolahan data kalibrasi di laboratorium kalibrasi BMKG jakarta dan 2 lokasi stasiun geofisika. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa :
Sitem Kalibrasi ini merupakan sistem kalibrasi seismometer dengan output nilai sensitivitas yang disertai dengan nilai ketidakpastiannya.
Unjuk kerja perancangan sistem kalibrasi baik hardware maupun software adalah cukup baik karena di bawah 5 % , selisih dengan peralatan operasional yang terpasang mempunyai selisih sekitar 3 %.
6. DAFTAR PUSTAKA [1] Willmore, P. L. (1959) : The application of the Maxwell impedance bridge to the calibration of electromagnetic seismographs, Bull. Seism. Soc. Am., Volume 49, pp 99-114. [2] White, R. E.(1970): Modifications to Willmore’s method for calibrating seismographs using a Maxwell bridge, Bull. Seism. Soc. Am., Volume 60, Nro.6, pp 2015-2022. [3] Mitronovas, W. & E. Wielandt (1975): High precision phase calibration of longperiod electromagnetic seismographs, Bull. Seism. Soc. Am., Volume 65, Nro.2, pp 411-424. [4] Pavlis, G.L., F.L.Vernon. (1994): Calibration of Seismometer using ground noise, Bull. Seism. Soc. Am , Vol.84 Nro. 4, pp 1243-1255 [5] Rodgers, P. W. (1992): Frequency limits for seismometers as determined from sinyal-to noise ratios. Part 1: the electromagnetic seismometer, Bull. Seism. Soc. Am., 82(2), 1071-1098, 1992. [6] Berger, J., D. Carr, R. Parker & W. Farrell (1979): Seismic system calibration: 2 cross-spectral calibration using random binary sinyals, Bull. Seism. Soc. Am., Volume 69, Nro.1, pp 271-288. [7] 7Wielandt, E. (1983): Design principles of electronic inertial seismometers, In Earthquakes: Observation, Theory and Interpretation, pp. 354-365. LXXXV Corso, Soc. Italiana di Fisica, Bologna.
[8] Havskov, J. & Alguacil (2004) : Instrumentation of earthquake seismology. Kluwer Academic Publishers. ISBN: 9781402029684, 435 pp. [9] Bormann, P. (2002): IASPEI Manual of Seismological Observatory Practice, NMSOP, Potsdam. [10] Ringler, A.T., T. L. Storm, L.S. Gee, D. C. Wilson (2014): Uncertainty Estimates in Broadband Seismometer Sensitivities using Microseisms, Journal of Seismology, Vol. 19, Issue.2. pp.317-327, March 2015 [11] Barnett, Cox., O’Cull., (2007) : Embedded C Programming and the Atmel AVR, 2ndNama belakang, Nama depan. Tahun. Judul makalah/buku. Judul Jurnal atau media penerbit. Halaman (jika ada). Penerbit. Kota.
