STUDI PEMANFAATAN APUNGAN DAN POTENSIOMETER SEBAGAI TRANDUSER KETINGGIAN AIR

J. Sains Tek., April 2006, Vol. 12, No. 1, Hal.: 57 - 62 ISSN 0853-733X

STUDI PEMANFAATAN APUNGAN DAN POTENSIOMETER SEBAGAI TRANDUSER KETINGGIAN AIR Arif Surtono Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 Diterima 27 Januari 2006, perbaikan 3 April 2006, disetujui untuk diterbitkan 19 April 2006

ABSTRACT Water level transducer can be prepared by a few methods, such as ultrasonic, infrared, electric conductivity and float-gauge. Of these methods, float-gauge has some advantages compared to the others especially easy in finding the starting materials and its operation. Therefore the application of float-gauge and potentiometer system as a water level transducer is mostly important. Simple pulley was used as the transducer mechanics. A string tied to float and ballast was connected to transducer where the water level change will rotate the potentiometer that function as a voltage divider to circuit. Water level range detected was 5 cm to 110 cm. The characteristics of transducer in term of water level (X) was analysed by the use of linear regression and was obtained Vo = 0,0766 X – 0,5000 volt. Transducer sensitivity was 0,0766 V/cm. Since the range values of the transducer output (0,032 V - 7,860 V) is different to ADC input (0 V – 5 V), the signal conditioning was used to match these values. The best choice of signal conditioning was the sum of amplifier with the characteristics value was Vops = 0,6390. Vin – 0,0220 volt. Keywords: float-gauge, potentiometer, transducer and water level

1. PENDAHULUAN Water level atau “ketinggian air”, suatu istilah sederhana, telah lama dikenal orang untuk mengungkapkan posisi air seperti digunakan dalam menyebutkan naik turunnya air sungai, air laut dan tangki air. Istilah lain untuk mengungkapkan posisi air adalah kedalaman air. Selain untuk menyatakan naik turunnya air sungai atau air laut, ketinggian air juga dipakai untuk menyatakan keadaan air atau cairan dalam suatu tangki industri. Ketinggian air penting untuk diamati terutama untuk tujuan keselamatan manusia atau ketepatan proses dalam suatu produksi. Naiknya air sungai diatas ambang batas aman jelas mengancam jiwa penduduk yang tinggal di sekitar sungai. Para petani tambak garam tidak akan bisa memanen garamnya manakala air laut tiba-tiba menggenangi tambak-tambak yang sudah siap panen. Bagi para peneliti ilmu kelautan, fenomena pasang surut air laut menyuguhkan tantangan yang menarik untuk diteliti. Dengan mengukur tinggi air secara berkelanjutan kita dapat mengetahui kondisi dan kecenderungan perilaku air yang terjadi pada lokasi-lokasi tertentu sehingga dapat menolong prioritas penanganan masalah masalah dan daerah yang akan ditangani1. Untuk dapat mengamati perilaku ketinggian air dan menghindari bencana/kerugian akibat ketinggian air diluar batas ambang maka diperlukan suatu tranduser ketinggian air. Tranduser adalah suatu piranti (device)

 2006 FMIPA Universitas Lampung

yang dapat mengkonversi satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Umumnya konversi energi listrik menjadi pergeseran mekanik atau konversi parameter fisik non-elektrik, seperti suhu, tekanan, suara dan lain-lain, menjadi energi atau sinyal listrik. Pada bidang instrumentasi biasanya digunakan tranduser yang mengkonversi parameter fisik menjadi sinyal elektrik2 . Terdapat banyak pertimbangan dalam memilih tranduser yang cocok digunakan untuk mendeteksi ketinggian air seperti: strain gauge, kapasitansi, batang elektroda (electrode rod), potensiometer, photodetektor, ultrasonic, piezoelektrik (tekanan) dan sebagainya3. Dioda tunnel sebagai elemen pengamat tekanan dapat dimanfaatkan sebagai transduser kedalaman air laut. Semakin dalam air yang dideteksi maka semakin besar tekanan yang terukur4. Selain itu, probe kapasitansi berbentuk seperti batang kosentrik dipasang tegak didalam cairan akan bertambah kapasitansinya bila level air bertambah. Pertambahan kapasitansi tersebut karena udara disekitar probe tergeser oleh air sehingga konstanta dielektriknya semakin besar. Probe dihubungkan dengan lengan jembatan kapasitansi. Perubahan kapasitansi probe yang dihasilkan oleh perubahan ketinggian air

menyebabkan ketidaksetimbangan tegangan dalam jembatan kapasitansi. Tegangan ini akan berbanding langsung dengan ketinggian air5 . Diantara tranduser-tranduser tersebut di atas, kombinasi potensiometer dan apungan

57

Arif Surtono…Studi Pemanfaatan Apungan

menawarkan beberapa kelebihan seperti harganya murah, pemasangan alat mudah, rangkaiannya sederhana, komponen pendukungnya mudah didapat dipasaran dan tidak mudah rusak. Sepasang kawat atau besi dapat digunakanan sebagai transduser dengan memanfaatkan prinsip perubahan resistansi terhadap perubahan ketinggian air. Namun kelemahannya adalah timbulnya korosi pada batang besi sehingga membuat pencatatan data tidak sesuai dengan nilai sesungguhnya6. Mengingat fluktuasinya ketinggian air tergolong lambat, kombinasi potensiometer dan apungan cukup memenuhi syarat untuk digunakan sebagai tranduser7. Sebuah apungan yang dipasangi accelerometer dapat digunakan untuk mendeteksi gerak permukaan air8. Potensiometer dan apungan dapat dimanfaatkan sebagai tranduser ketinggian air yang dirangkai seperti model pengungkit9. Tetapi tranduser yang dibuat umumnya memiliki keterbatasan, terutama jangkauan level air yang diukur tergantung pada panjang lengan pengungkit yang terhubung dengan apungan. Fleksibilitas sistem kurang baik karena gerak apungan-pengungkit merupakan sapuan seperempat lingkaran sehingga untuk jangkauan level air yang besar membutuhkan banyak ruang horizontal dan dapat mengganggu alat-alat disekitarnya. Selain itu gerakan menyamping air dapat terdeteksi oleh tranduser ini sehingga dapat mengacaukan ketinggian air yang diukur. Pada penelitian ini dikaji pemanfaatan potensiometer dan apungan sebagai tranduser ketinggian air dengan teknik yang berbeda seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Apungan sebagai pendeteksi gerakan air ditempatkan dalam selongsong pipa. Potensiometer digerakkan oleh sebuah katrol yang ditautkan dengan apungan. Pergerakan apungan akan menggerakkan katrol untuk kemudian diteruskan kepada potensiometer. Putaran katrol pada porosnya dibuat selicin mungkin agar gesekan yang terjadi sangat kecil. Keluaran tranduser berupa tegangan keluaran pada potensiometer yang memanfaatkan prinsip pembagi tegangan.

1.1. Potensiometer Potensiometer digunakan untuk mengubah gerak translasi atau anguler kedalam suatu perubahan resistansi yang dapat langsung diubah menjadi sinyal tegangan atau arus listrik Potensiometer resistif merupakan salah satu tranduser pergeseran yang paling sederhana. dan efisien. Idealnya ada hubungan linier antara pergeseran linier atau anguler dengan tegangan keluarannya10. Potensiometer terdiri dari sebuah kontak yang dapat menyapu pada hambatan lilitan kawat (lihat gambar 1). Pergeseran kontak inilah yang menyebabkan terjadinya perubahan hambatan pada terminal-terminal kontak. Jika pada potensiometer dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan DC maka perubahan hambatan tersebut menghasilkan perubahan tegangan keluaran.

R1 DC

R2 Vo

Gambar 1. Rangkaian dasar potensiometer Jika sumber tegangan pada potensiometer adalah Vi dan hambatan kontak tengah terhadap terminal positif dan negatif masing-masing adalah R1 dan R2 serta hambatan totalnya adalah R1 + R2 maka tegangan keluaran potensiometer Vo adalah2 : Vo =

R2 R1 + R 2

Vi

(1)

Dari Persamaan 1, hambatan total R1 + R2 dan sumber tegangan nilainya tetap sedangkan bagian pembilang R2 nilainya berubah – ubah menurut pergerakan kontak. Ini berarti karakterisrik persamaan 1 merupakan suatu hubungan linier antara sumber tegangan Vi dan tegangan keluaran potensiometer Vo.

Gambar 2. Tiga tipe potensiometer untuk pengukuran pergeseran (a) Translasi (b) Rotasi (c) Helix

58


J. Sains Tek., April 2006, Vol. 12, No. 1

Berangkat dari karakteristik potensiometer menurut persamaan 1 inilah maka potensiometer dapat dimanfaatkan sebagai tranduser ketinggian air (water level). Setiap perubahan tingkat ketinggian air yang dideteksi dengan apungan dipastikan dapat menggerakkan potensiometer secara linier pula. Sifat linier tranduser seperti inilah yang sebenarnya diinginkan oleh para ahli sensor11. Gambar 2 di atas memperlihatkan potensiometer yang digunakan pada pengukuran pergeseran translasi dan rotasi.

2. METODE PENELITIAN 2.1 Rancang Bangun Tranduser Ketinggian Air Tranduser ketinggian air ini tersusun atas beberapa bahan utama yaitu pipa paralon besar, apungan, potensiometer , katrol kecil (pulley), tali, sumber tegangan dc dan pemberat. Rancang bangun lengkap tranduser ketinggian air seperti pada Gambar 3.Dengan rancang bangun tranduser seperti Gambar 3 diharapkan apungan murni

mendeteksi gerakan vertikal permukaan air karena ditempatkan di dalam selongsong pipa paralon yang bebas dari gerakan horizontal air. Selain itu kesederhanaan rancangan dan harga komponen yang murah membuat tranduser ini mudah direalisasikan. Spesifikasi lengkap bahan yang digunakan seperti pada Tabel 1. 2.2 Cara Kerja Tranduser Apungan ditempatkan di dalam selongsong pipa paralon senantiasa mendeteksi naik turunnya permukaan air (ketinggian air). Ketika apungan bergerak naik turun maka akan memutar katrol di atasnya. Katrol melalui poros selongsong selanjutnya memutar potensiometer. Karena potensiometer telah dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan (sebesar 9 volt), maka tegangan keluaran akan berubah-ubah sesuai dengan posisi kontaknya. Setiap nilai tegangan keluaran potensiometer maka akan memiliki kesesuaian atau hubungan linier dengan ketinggian air seperti dinyatakan dengan Persamaan 1.

9V +V

Katrol/Puley

5K Vo

Bandul/pemberat

Apungan

Ketinggian air AIR Pipa paralon

Gambar 3. Rancang bangun tranduser ketinggian air. Tabel 1. Spesifikasi bahan No 1 2 3 4 5 6 7

Bahan Apungan Roda katrol Pipa paralon Pemberat (bandul) Pengisi apungan Potensiometer Catu daya


Spesifikasi Karet bola tenis berongga, m = 61,37 gr Roda besi, Diameter = 6,50 cm Diameter = 7,50 cm Besi, m = 59,71 gr Besi, m = 54,28 gr Multiturn, 10 putaran, 5K±5% Baterai 9 V

59


2.3 Kalibrasi Tranduser dan Pengambilan Data Kalibrasi tranduser dilakukan dengan cara membuat skala jarak dalam satuan sentimeter pada sisi tabung pipa paralon untuk melihat ketinggian air. Sedangkan pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur tegangan keluaran potensiometer pada setiap 5 cm ketinggian air. Multimeter yang digunakan memiliki ketelitian tinggi hingga orde seperseribu milivolt, merek Metrahit. Ketinggian air dibuat mulai dari 5 cm hingga 110 cm. Pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali, baik saat permukaan air naik maupun saat permukaan air turun sehingga dapat diperoleh watak tranduser. Data yang digunakan adalah rata-rata tegangan keluaran saat permukaan air naik dan turun pada posisi atau ketinggian yang sama.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 4 adalah grafik hasil pengukuran tegangan keluaran transduser (rata-rata) terhadap ketinggian air saat air/apungan naik dan saat air/apungan turun. Dari Gambar 4 menunjukkan bahwa tranduser ketinggian air memiliki sifat histerisis. Pada posisi antara ketinggian air minimum dan maksimum, tegangan keluaran transduser tidak pernah sama. Saat air/apungan turun tegangan keluaran tranduser selalu lebih besar dibanding saat

air/apungan naik. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Saat apungan di posisi minimum (level 5 cm), apungan dan pemberat dalam keadaan setimbang atau diam sehingga katrol tidak berputar. Posisi apungan pada permukaan air seperti Gambar 5a. Ketika permukaan air naik, apungan juga naik, kesetimbangan tadi terganggu. Jumlah gaya ke bawah pada apungan berkurang karena dilawan oleh gaya dorong permukaan air ke atas. Akibatnya sistem apungan-pemberat bergerak sejauh kenaikan permukaan air. Setelah berhenti maka dicapai kesetimbangan lagi. Posisi apungan pada permukaan air masih seperti Gambar 5a. Ketika permukaan air turun (dari posisi maksimum), apungan juga turun, kesetimbangan sistem apungan-pemberat terganggu. Jumlah gaya ke bawah pada apungan bertambah karena ada gaya tarik oleh pergerakan permukaan air ke bawah. Sistem apungan-pemberat bergerak sejauh penurunan permukaan air. Tetapi, karena ikatan antara air dan apungan lemah (tidak kekar) mengakibatkan apungan tidak serta-merta mengikuti penurunan permukaan air, seperti pada gambar 5b. Akibatnya apungan selalu terlambat menarik tali dan pemutaran potensiometer pun juga terlambat. Keterlambatan ini membuat hambatan pembilang (misal R2) pada Persamaan 1 selalu lebih besar untuk ketinggian yang sama dan tegangan keluaran transduser juga lebih besar.

Karakteristik apungan naik & turun 9,0 8,0 tegangan (V)

7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 Series1

2,0 1,0

Series2

0,0 0

20

40

60 80 water level (cm)

100

120

Gambar 4. Karakteristik tranduser saat apungan naik dan turun Permukaan air

(a) (b) Gambar 5. Posisi apungan pada permukaan air a) saat air naik b) saat air turun

60


J. Sains Tek., April 2006, Vol. 12, No. 1

Karakteristik transduser water level 10,0 tegangan (V)

8,0 6,0 4,0

y = 0,0766x - 0,5 R2 = 0,9996

2,0 0,0 -2,0 0

20

40 60 80 water level (cm)

100

120

Gambar 6. Grafik karakteristik tranduser ketinggian air Mengingat sistem tranduser dibuat tidak memisahkan penggunaan saat apungan naik atau turun maka karakteristik transduser harus diperoleh dari data gabungan (rata-rata) apungan naik dan turun dengan menggunakan regresi linier. Hasil regresi diperoleh persamaan karakteristik sebagai berikut : Vo = 0,0766 X – 0,5000

volt

(2)

Vo adalah tegangan keluaran tranduser (volt) dan X adalah ketinggian air (cm). Gambar 6 di atas adalah grafik karakteristik transduser ketinggian air dan regresinya. Rentang tegangan keluaran tranduser sebesar 0,032 V hingga 7,860 V sangat tidak cocok dengan range input ADC (analog to digital converter), yang umumnya 0 V hingga 5 V, jika tranduser akan digunakan pada sistem akuisisi data berbasis komputer. Karena itu tranduser ini masih membutuhkan rangkaian pengkondisi sinyal (signal conditioning). Rangkaian pengkondisi sinyal dibuat untuk mengolah sinyal analog dari transduser agar menjadi sesuai dengan range sinyal digital. Rangkaian dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki hubungan linier antara ketinggian air terhadap tegangan keluaran tranduser. Berdasarkan rentang tegangan keluaran tranduser dan range input ADC, persamaan untuk pengkondisi sinyal ditetapkan sebagai berikut: Vops = m Vin + Vo

(3)

dengan Vops = tegangan keluaran pengkondisi sinyal, Vin = tegangan masukan berasal dari tranduser, m = gradien persamaan dan Vo = tegangan offset nol, yaitu tegangan keluaran pengkondisi sinyal ketika tidak ada masukan dari tranduser ( Vin = 0). Dengan mensubstitusi rentang tegangan keluaran tranduser dan range input ADC ke Persamaan 3 maka diperoleh nilai m dan Vo :  2006 FMIPA Universitas Lampung

5 = m. 7,860 + Vo

(4)

0 = m. 0,032 + Vo (5) Persamaan 4 dikurangi dengan Persamaan 5 diperoleh 5 = m (7,860 – 0,032)

(6)

5 sehingga m = = 0,639 mV/cm 7 ,828 Subtitusikan harga m ke Persamaan 4 maka diperoleh Vo = - 0,022 volt Akhirnya persamaan (Persamaan 3) menjadi Vops = 0,639. Vin – 0,022

pengkondisi

sinyal (7)

Dengan berdasarkan pada Persamaan 7 ini, rangkaian pengkondisi sinyal dapat dipilih menggunakan jenis penguat jumlah (summing amplifier). Komponen utama rangkaian pengkondisi sinyal ini terdiri dari dua buah IC opamp 741, tiga buah resistor 1 kΩ dan dua buah resistor 6,3 kΩ. Gambar 7 berikut ini adalah realisasi rangkaian pengkondisi sinyal menggunakan penguat jumlah berdasarkan Persamaan 7. Rangkaian pengkondisi sinyal Gambar 7 dapat digunakan baik untuk apungan naik, apungan turun maupun rata-rata apungan naik dan turun. Hal ini karena ketiga kasus tersebut menghasilkan range tegangan keluaran transduser yang sama yaitu 0,032 V hingga 7,860 V. Yang membedakan adalah format Vin , yaitu menyesuaikan kasus masing-masing. Keluaran rangkaian pengkondisi sinyal Vops sudah memenuhi syarat sebagai masukan ADC untuk diubah menjadi sinyal digital yang selanjutnya akan dibaca oleh komputer.

61


- 0,022 V

6,39k ohm

Vin

6,39k ohm

10k

10k

10k Vops

Gambar 7. Rangkaian pengkondisi sinyal untuk tranduser ketingian air

4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian ini maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Apungan dan potensiometer cukup baik dimanfaatkan sebagai tranduser ketinggian air karena secara umum menunjukkan hubungan linier antara tegangan keluaran dan ketinggian air. 2. Perbedaan karakteristik tranduser saat apungan naik dan turun disebabkan oleh lemahnya ikatan antara air dan apungan sehingga ketika terjadi penurunan air, apungan tidak serta-merta mengikuti geraknya sehingga tegangan keluaran tranduser saat apungan turun selalu lebih besar. 3. Mengingat fenomena fisika yang tak dapat dihindari saat apungan turun, akan lebih baik menggunakan persamaan karakteristik ratarata (persamaan 2) jika akan digunakan dalam sistem akuisisi data berbasis komputer.

2.

Jones, L. D and Chin, A. F. 1995. Electronic Instrumentation and Measurements. PrenticeHall, Inc. Singapore.

3.

Lazenby, B. 1980. Level Monitoring and Control. Chemical Engineering. 87 (1): 88-96.

4.

Yerman, A. J. 1968. An Ocean Depth Sensor Utilizing a Tunnel Diode as the Pressure Sensing Element. Marine Science Instrumentation. 4 : 541-554.

5.

Wolff, E. A. and Mercanti, P. 1974, Geoscience Instrumentation. John Wiley & Sons Inc. Toronto.

6.

Ayres, R.A. and Cretzler, D.J. 1963. A Resistance Wire Water Level Measurement System. Marine Science Instrumentation. 2(93): 100-115.

7.

Miyasaki, Mace T. 1974. Water Wave Sensors. Marine Science Instrumentation. 10 : 441-445.

8.

Longuet, H. Cartwright, D.E and Smith, D.N. 1963. Observation of the Directional Spectrum of Sea Waves Using the Motions of Floating Buoy. Ocean Wave Spectra. 9 (1): 111-136.

9.

Finawan, A., Azhar dan Amra, S. 2003. Otomatisasi Sistem Pengaturan Level Cairan Berbasis Komputer. Teknologi. 3(1): 41-44.

UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dapat dilaksanakan berkat bantuan dana dari Proyek Pengembangan Diri (PPD) HEDS Dikti Tahun Angaran 2004. Untuk itu peneliti mengucapkan terima kasih kepada Pimpinan PPD HEDS Project atas segala bantuan yang telah diberikan.

DAFTAR PUSTAKA 1.

62

Suhendi, A., Thaha, H., Munir, M.M. and Khairurrijal. 2004. Sistem Pengukuran Level Air dengan Data Logger Berbasis Mikrokontroller MCS-51. Proceeding Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika II. Dept. Fisika. ITB. 22-23 Juli 2004. Bandung. Hal: 109-113.

10. Tompkins, W. J and Webster, J. G. 1992 Interfacing Sensors to The IBM PC. PrenticeHall, Inc. Singapore. 11. Johnson, C. D. 1997. Process Control Instrumentation Technology. 5th edition. Prentice-Hall, Inc. New Jersey.


STUDI PEMANFAATAN APUNGAN DAN POTENSIOMETER SEBAGAI TRANDUSER KETINGGIAN AIR

Recommend Documents