I. PENDAHULUAN II. TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 1 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sungai merupakan salah satu sumber air tawar yang penting keberadaannya bagi makhluk hidup di sekitarnya. Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) pada umumnya memanfaatkan air dari suatu sungai untuk memenuhi kebutuhan konsumennya. Pada beberapa tempat di indonesia, keberadaan sungai terkadang menjadi suatu ancaman, yaitu pada saat debit air yang mengalir melebihi kondisi normal, atau yang lebih dikenal dengan sebutan banjir. Karena pentingnya keberadaan sungai tersebut, kajian mengenai sungai ataupun daerah aliran sungai (DAS) sangatlah penting dan dibutuhkan demi menjamin ketersediaan air yang berkelanjutan dan terkendali. Salah satu parameter hidrologi yang berkaitan dengan sungai adalah tinggi muka air (water level) sungai. Banyak hal yang bisa dicermati dengan mengetahui tinggi muka air (TMA) suatu aliran, diantaranya adalah debit aliran dan sistem aliran sungai. Kajian lebih lanjut mengenai TMA dan parameter hidrologi lainnya yang berkaitan dapat menggambarkan karakteristik suatu DAS. Pemahaman terhadap karakteristik suatu DAS akan sangat membantu dalam pengelolaan DAS maupun hal-hal lain yang berkaitan dengan DAS tersebut. Ketersediaan alat ukur merupakan hal mendasar yang harus terpenuhi untuk ketersediaan data, termasuk data TMA. Data TMA bisa didapatkan melalui berbagai teknik pengukuran, baik itu manual ataupun otomatis. Pengukuran TMA dengan menggunakan alat ukur otomatis yang dapat merekam data secara kontinu merupakan salah satu pilihan dalam pengambilan data TMA yang berkelanjutan. Saat ini telah dikembangkan berbagai macam alat pengukuran TMA, diantaranya adalah alat ukur bertipe pelampung. Alat ukur TMA bertipe pelampung dapat menggunakan berbagai jenis sensor, satu diantaranya adalah potensiometer. Sama dengan sensor yang lainnya, pada dasarnya sensor tersebut menerjemahkan arah dan perubahan tinggi muka air berdasarkan gerakan pada pulley. Pada penelitian terdahulu yang dilakukan oleh Triesnawati (2006), potensiometer digunakan sebagai sensor perubahan tinggi muka air. Alat ukur TMA dengan sensor tersebut memiliki beberapa keterbatasan, diantaranya adalah rentang pengukuran yang terbatas. Alat ukur tinggi muka air otomatis pada umumnya terdiri dari dua bagian penting, yaitu bagian mekanik dan elektronik. Kedua bagian tersebut memiliki peran yang sama pentingnya. Suatu alat pengukuran tinggi muka air akan dapat bekerja dengan baik apabila kedua bagian tersebut bekerja sesuai fungsinya. Pada penelitian ini akan dilakukan pengujian terhadap rangkaian elektronik penerjemah arah gerakan dengan menggunakan hall effect sensor sebagai sensor yang memberikan input bagi rangkaian tersebut. Rangkaian tersebut akan menerjemahkan gerakan pada pulley. 1.2 Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk menguji rangkaian penerjemah rotasi (rotary encoder) yang akan digunakan untuk mengukur perubahan tinggi muka air dengan menggunakan hall sensor. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinggi Muka Air (Water Level) Tinggi muka air (TMA) merupakan salah satu parameter hidrologi pada sungai. TMA merupakan tinggi permukaan air yang diukur dari titik tertentu yang telah ditetapkan. Dalam kaitannya dengan debit aliran (Q), data TMA dapat digunakan untuk mengetahui luas penampang melintang suatu aliran (A) seperti yang tergambarkan pada gambar 1. Dengan mengetahui luas penampang melintang dan kecepatan aliran, akan dapat diketahui debit aliran dengan menggunakan persamaan Bernoulli (the continuity equation): Q = A. V Gambar 1 Penampang melintang sungai.(sumber: bppt.go.id)

2 2 Menurut Asdak (1995), untuk aliran sungai tertentu, data TMA dapat langsung digunakan untuk menduga debit aliran. Debit sungai yang diduga melalui data TMA tersebut merupakan suatu pendekatan berdasarkan kurva hubungan debit aliran dan TMA (stage discharge rating curve), untuk itu dibutuhkan data TMA dan debit dalam jumlah banyak (tahunan). Hubungan antara debit aliran dan TMA tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini. sebagai pendeteksi naik turunnya permukaan air. (a) Gambar 2 Stage discharge rating curve (sumber: ma nuals.us/) Data TMA memiliki banyak kegunaan. Untuk perencanaan bangunan yang berkaitan dengan perubahan TMA, seperti jembatan, bendungan, dan sistem irigasi, data TMA sangatlah dibutuhkan. Terkait dengan bencana banjir pada daerah hilir sungai, data TMA dapat dimanfaatkan sebagai indikator bagi kejadian banjir. 2.2 Alat Ukur Tinggi Muka Air Tipe..Pelampung Alat ukur tinggi muka air tipe pelampung merupakan salah satu alat ukur TMA. Pada alat ukur ini, perubahan TMA ditandai dengan pergerakan naik ataupun turun dari pelampung tersebut. Besar perubahan tinggi muka air akan diketahui berdasarkan gerakan pada pulley yang akan berputar ketika ada gerakan pada pelampung. Benda yang akan digunakan sebagai pelampung haruslah mendapatkan gaya tekanan ke atas (Fa) yang lebih besar dibadingkan gaya berat (w) benda itu sendiri. Alat ukur TMA tipe pelampung yang sebelumnya pernah dikembangkan, seperti pada gambar 3, memiliki pemberat dan pelampung terpisah. Pelampung dan pemberat tersebut terikat di tiap ujung tali yang terpasang pada pulley. Pemberat berfungsi sebagai pengimbang agar pelampung tetap mengambang pada permukaan air, sedangkan pelampung (b) Gambar 3 AWLR float type dengan..pelampung dan pemberat yang..terpisah (sumber: rickly.com) Pada dasarnya alat ukur TMA tipe pelampung memiliki prinsip kerja yang sama. Arah dan besar perubahan diketahui berdasarkan putaran pada pulley. Arah dan besar perubahan tersebut merupakan input bagi sensor untuk kemudian diterjemahkan menjadi sebuah informasi. 2.3 Sensor Gerakan Peubahan atau gerakan dapat dideteksi dengan menggunakan sensor. Sensor yang dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi gerakan diantaranya adalah potensiometer, switch encoder dan hall effect sensor Potensiometer Gambar 4 Potensiometer (sumber: Tanujaya 2010)

3 3 Potensiometer merupakan salah satu jenis resistor. Potensiometer seperti yang terlihat pada gambar 4 merupakan variabel resistor, yaitu resistor yang nilai hambatannya dapat diubah dengan cara memutar poros yang terdapat pada potensiometer. Dalam pemanfaatannya sebagai sensor gerakan (perubahan) TMA, pergerakan pada pulley akan turut menggerakan poros yang ada pada potensiometer. Perubahan nilai hambatan akibat berputarnya poros tersebut merupakan output dari potensiometer yang kemudian diterjemahkan sebagai bentuk perubahan TMA (Triesnawati 2006) Switch Encoder Switch encoder merupakan komponen elektronik yang memiliki cara kerja seperti saklar (switch). Dari segi fisik, alat ini memiliki ukuran yang kecil dengan tiga kaki (pin) dan poros rotasi pada bagian atas alat. Pada alat ini terdapat 24 detent dengan dua output pulsa (fase A dan B) yang berurutan untuk tiap dua detent yang dilewati akibat adanya perputaran pada poros. Untuk satu putaran penuh (360 0 ) pada switch encoder, masing masing pulsa akan muncul sebanyak 12 kali (Panasonic 2010). Gambar 5 Switch encoder (sumber: Tabel 1 Karakteristik switch encoder Mechanical Rotation Rotation Torque Detents 360 /Endless 1 mn m (min.) 24 points proporsional dengan kekuatan medan magnet yang diterimanya. Sensor hall effect terdiri dari sebuah lapisan silikon dan dua buah elektroda pada masing-masing sisi silikon. Pada saat tanpa ada pengaruh dari medan magnet maka beda potensial antar kedua elektroda tersebut 0 Volt karena arus listrik mengalir ditengah kedua elektroda sedangkan ketika medan magnet mempengaruhi sensor ini maka arus yang mengalir akan berbelok mendekati atau menjauhi sisi yang dipengaruhi oleh medan magnet. Hal tersebut menghasilkan beda potensial diantara kedua elektroda dari hall effect sensor, dimana beda potensial tersebut sebanding dengan kuat medan magnet yang diterima oleh hall effect sensor ini. (a) (b) Gambar 6 Prinsip kerja hall effect sensor (sumber: Jack 2010) Hall effect sensor memiliki banyak jenis, salah satunya adalah hall effect latch sensor. ATS 276 merupakan contoh hall effect latch sensor. Hall effect sensor tipe tersebut memiliki dua output dengan sifat yang berkebalikan. Pada saat output pada DO bernilai positif karena ada pengaruh dari medan magnet maka output pada DOB akan bernilai negatif (Anachip Corp 2004). Berbeda dengan hall effect sensor pada umumnya, medan magnet berbeda akan memberikan pengaruh yang berbeda pada sensor ini. Pengaruh dari medan magnet dengan kutub utara baru akan hilang ketika ada pengaruh dari magnet dengan kutub selatan, begitu juga sebaliknya. Electrical Output Signals Phase A and B Resolution 12 pulses/360 (Sumber: Gambar 7 Hall effect sensor tipe ATS Hall Effect Sensor Hall effect sensor merupakan sensor untuk mendeteksi medan magnet yang terdapat disekitarnya. Effek Hall pertama kali ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879 (Honeywell 2005). Hall effect sensor akan menghasilkan tegangan yang Gambar 8 Bentuk rangkaian pada hall effect latch sensor ATS 276

4 4 2.4 Rangkaian Elektronik Penerjemah Arah Gerakan Rangkaian penerjemah arah gerakan dibentuk dari IC Rangkaian ini dirakit dari 4 gerbang NAND yang ada pada IC tersebut. Rangkaian ini membutuhkan input dari dua sensor yang berada pada pin 8 dan pin 13. Output dari rangkaian ini adalah dua informasi arah gerakan pada pin 3 dan pin 4. Informasi arah pada masing-masing pin tersebut memiliki sifat yang berkebalikan (Guenther 2001). Tabel 2 Truth table untuk NAND gate Integrated Circuit seri 4069 IC seri 4069 memiliki fungsi sebagai pembalik arus (inverter). Output yang dihasilkan memiliki sifat yang berkebalikan dari input. IC ini memiliki 14 pin dengan 6 sirkuit inverter yang terdiri dari 6 pin output dan 6 pin input. Suplai arus yang direkomendasikan dalam penggunaan IC ini adalah 3-15 volt (Fairchild Semiconductor 1999) Gambar 9 Bentuk rangkaian penerjemah arah gerakan (sumber: Guenther 2001) 2.5 Integrated Circuit Integrated Circuit seri 4093 IC seri 4093 merupakan gabungan dari empat sirkuit Schmitt trigger. Masing masing sirkuit tersebut berfungsi sebagai gerbang NOT AND (NAND Gates). IC ini memiliki 14 pin dengan output pada pin 3, 4, 10, dan 11, sedangkan pin lainnya berfungsi sebagai input atau input (kecuali pin 7 dan 14). Output dari setiap pin akan bernilai 0 (low:l) hanya jika kedua input bernilai 1 (High:H) (Texas Instrument 2003). Gambar 11 Connection diagram IC Integrated Circuit seri 4047 IC seri 4047 dapat dimanfaatkan untuk membentuk rangkaian monostable positive ataupun negative edge trigger multivibrator. Pada saat dioperasikan, rangkaian monostable positive edge trigger akan menghasilkan sinyal karena adanya transisi dari sinyal rendah ke tinggi, sedangkan rangkaian monostable negative edge trigger menghasilkan sinyal pada saat transisi sinyal tinggi menjadi rendah (National Semiconductor 1993). Gambar 10 Functional diagram IC 4093 Gambar 12 Connection diagram IC 4047

5 5 Tabel 3 Rangkaian monostable positive-negative edge trigger (Sumber: National Semiconductor 1993) Integrated Circuit seri Integrated Circuit seri 4071 IC seri 4071 terdiri dari empat sirkuit berupa gerbang OR (OR gates). Dari 14 pin yang ada, output (output) dari IC ini berada pada pin 3, 4, 10, dan 11. Output dari setiap pin akan bernilai 0 (low:l) hanya jika kedua input bernilai 0, sedangkan kombinasi nilai input lainnya akan menghasilkan nilai 1 (Philips 1995). Gambar 13 Connection diagram IC 4066 IC seri 4066 memiliki 14 pin. IC ini dapat berfungsi sebagai saklar. Dalam satu IC ini Terdapat empat sirkuit dengan fungsi seperti saklar. Masing-masing sirkuit terdiri dari input, output dan kontrol. Tabel 4 Fungsi masing-masing pin pada IC 4066 Gambar 14 Connection diagram IC 4071 Tabel 5 Truth table untuk OR gate III. METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan dari bulan Februari sampai dengan Agustus 2011 di Workshop Instrumentasi Meteorologi, Departemen Geofisika dan Meteorologi,