3 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arus Laut dan Metode Pengukurannya Arus merupakan gerakan mengalir suatu massa air yang dapat disebabkan oleh tiupan angin, perbedaan densitas air laut atau dapat pula disebabkan oleh gerakan periodik jangka panjang yang disebabkan oleh aktivitas fisika air laut tersebut (Nontji 1987). Menurut Gross (1972) arus laut adalah proses pergerakan massa air laut yang menyebabkan perpindahan horizontal dan vertikal massa air tersebut yang terjadi secara terus menerus. Kecepatan arus merupakan konversi dari waktu yang dibutuhkan oleh pergerakan massa air dengan perbandingan antara jarak dengan waktunya. Arus merupakan campuran rumit dari berbagai jenis gerakan periodik dan aperiodik, mulai dari berbagai skala ukuran, kecepatan dan waktu. Varibilitas kecepatan dan arah arus laut merupakan salah satu karakteristik yang paling menonjol. Arus dapat ditunjukkan secara vektor, yang menampilkan hubungan antara arah dan kecepatan arus laut. Rata-rata dapat diambil secara rataan vektor atau rataan skalar. Metode pengukuran yang biasa digunakan adalah metode pengukuran secara insitu. Pada pengukuran arus secara insitu, digunakan metode Eularian yang merupakan pengukuran arus pada suatu titik yang tetap. Alat pengukur arus yang sederhana adalah menggunakan free-floating drogued bouy untuk mengukur kecepatan dan kompas bidik untuk mendapatkan arah dari arus tersebut. Metode yang juga dikembangkan dalam pengukuran arus yaitu 3
4 dikembangkan dengan metode laglarian. Salah satunya yaitu penggunaan drifter bouy sebagai alternatif dari metode eularian yang mengkonversi jarak perpindahan berbanding terbalik dengan waktu perpindahannya.. 2.1.1 Pengukuran Arus Dengan Cara Mekanik Current Meter mekanik (Gambar 1) adalah alat ukur arah dan kecepatan arus, dimana badan air yang bergerak memutar baling baling yang dihubungkan dengan sebuah roda gigi. Pada roda gigi tersebut terdapat penghitung (counter) dan pencatat waktu (time-keeper) yang merekam jumlah putaran untuk setiap satuan waktu. Melalui suatu proses kalibrasi, jumlah putaran per satuan waktu yang dicatat dari alat ini dikonversi ke kecepatan arus dalam meter per detik (m/s). Gambar 1. Contoh bentuk instumen pengukur arus secara mekanik (sumber: ICSM, 2012) Alat ukur ini mempunyai ketelitian pengukuran yang relatif sangat baik. Beberapa desain current meter mampu mengukur perubahan kecepatan gerak
5 badan air sampai dengan 1 mm/s. Kini, telah berkembang current meter yang bekerja secara elektronik dan mempunyai kemampuan perekaman data yang sangat besar salah satunya yaitu digital current meter. Indikator kinerja tergantung pada inertia dari rotor, gerakan air, dan gesekan dalam bearing. 2.1.2 Pengukuran Arus Dengan Cara Akustik Di dalam air terdapat material-material padat yang tersuspensi (sedimen, plankton) dan bergerak bersama arah dan kecepatan yang sama dengan arus. Jika gelombang akustik dengan frekuensi dan intensitas tertentu dibangkitkan dan ditembakkan ke suatu kolam, maka material-material padat tersuspensi pada lapisan air yang diukur akan menghamburkan gelombang yang ditembakkan tersebut kembali ke pembangkit (tranduser). Material penghambur bergerak relatif terhadap sumber gelombang, maka frekuensi gelombang akan mengalami efek Doppler. Jika perbedaan frekuensi gelombang pantul relatif terhadap gelombang pancar diketahui, maka kecepatan relatif antara pembangkit gelombang dengan lapisan air yang diukur semakin dapat dihitung. Kelebihan alat ukur akustik mempunyai sifat tidak mengganggu badan air yang diukur (intrusive). Selain itu resolusi spasial dan temporal alat ukur akustik lebih baik jika dibandingkan dengan pengukuran mekanik. Berikut contoh instrumen pengukur arus secara akustik (Gambar 2).
6 Gambar 2. Macam-macam bentuk instrumen pengukur arus secara akustik (Sumber : OOT ADC, 2008) Instrumen yang biasa digunakan dengan pengukuran arus secara akustik adalah Acoustic Current Meter (ACM), Acoustic Doppler Profiler (ADP), Acoustic Doppler Current Meter (ADCM) dan Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). 2.2 Konsep Umum Alat Ukur Secara umum, konsep alat ukur dapat digambarkan dalam dua kategori pokok. Pertama operasi dan daya guna yang dilihat dari unsur-unsur fungsional sistem alat ukur, dan kedua dilihat dari karakteristik statis dan dinamisnya. Unsur-unsur fungsional alat atau sistem pengukuran secara umum meliputi unsur penginderaan primer, unsur penkonversi peubah (variabel), unsur pengubah (manipulator), peubah unsur pengiriman data dan unsur penyaji data dalam bentuk yang dapat ditanggapi oleh indera manusia.
7 Gambar 3. menunjukkan unsur-unsur fungsional sistem pengukuran dalam bentuk diagram. Medium yang diukur Penginderaan pertama Penkonversian peubah Pengubah peubah Pengiriman data Sajian Penyaji data Data Pengamatan Gambar 3. Unsur-unsur fungsional sistem pengukuran (Sumber : Sivastava, 1987) Unsur penginderaan pertama adalah unsur pertama yang menerima energi dari medium yang diukur dan menghasilkan keluaran dalam batas-batas tertentu tergantung pada kuantitas yang diukur. Kuantitas yang diukur selalu terganggu oleh tindakan pengukuran, menyebabkan suatu pengukuran yang sempurna adalah mustahil. Unsur penkonversi peubah, jika diperlukan dapat menukar keluaran dari unsur penginderaan primer dengan peubah yang lebih cocok, sedangkan informasi dalam peubah sebelumnya tetap disimpan.
8 Unsur manipulasi peubah secara spesifik menimbulkan perubahan-perubahan nilai numerik sesuai aturan tertentu sehingga mempertahankan sifat fisik peubah. Suatu penguat operasional elektronik dapat mengilustrasikan konsep ini. Hasil keluaran mempunyai satuan sama dengan sinyal masukan tetapi dengan besaran yang berbeda beberapa kali dari masukan. Informasi yang telah diolah perlu dikirimkan dan disajikan oleh unsur pengiriman data dan unsur penyaji data kepada operator untuk tujuan pemantauan, pengendalian atau analisis. 2.3 Konstruksi Acoustic Current Meter 2.3.1 Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebuah sistem microprocessor yang didalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, clock dan peralatan internal lainnya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi dengan baik oleh pabrik serta dikemas dalam satu chip yang siap digunakan. Salah satu contoh mikrokontroler yang ada adalah produksi ATmel keluarga AVR seri ATmega 32. ATmega merupakan mikrokontroler 8-byte dengan arsitektur RISC, frekuensi kerja hingga 8 MHz, 32K Byte In System Programmble Flash, 512 byte EEPROM, 2 kilobyte SRAM internal, empat port I/O 8-byte, Master/slave SPI serial interface, tegangan operasi 2,7V-5,5V konsumsi daya yang rendah (Ardi, 2008). Adapun konfigurasi kaki dari mikrokontroler ATmega32 seperti pada Gambar 4.
9 Gambar 4. Konfigurasi kaki pada mikrokontroller ATmega 32 (Sumber: ATMEL, 2011) 2.3.2 Sensor Transduser Sensor dan transduser memiliki persamaan makna dimana perangkat tersebut berfungsi untuk melakukan konversi energi dari besaran fisik (misalnya tekanan) menjadi besaran elektronik (misalnya arus dan tegangan), seperti halnya dalam proses pengukuran, kontrol, ataupun kebutuhan informasi. Pada prinsipnya sensor dan transduser merupakan perangkat yang memiliki kemampuan untuk merespon, mempertahankan serta menghasilkan sinyal elektronik dengan nilai sesuai dengan yang diterimanya (Jhosep, 1993). Bagian-bagian penting yang harus dimiliki oleh suatu alat ukur meliputi: a. Input function (bagian masukan), merupakan bagian perangkat yang menerima sinyal dari transduser dan menkonversinya menjadi bentuk apapun (biasanya dalam bentuk tegangan) sesuai dengan yang diikuti oleh rangkaian. Bagian masukan biasanya meliputi amplifikasi, yang
10 juga dapat terdiri dari keluaran tegangan dalam bentuk AC ataupun DC. b. Signal processing/amplifikasi, adalah bagian penguat sinyal dari sensor ataupun tranduser biasanya belum sesuai dengan tampilan yang dapat dihasilkan. c. Fungsi keluaran, adalah instrumen yang sering diproses dengan beberapa perlakuan sebelum dapat ditampilkan. Bagian keluaran berfungsi dengan mencangkup power amplifikasi input/output sinyal (seperti pada kasus pengontrol driver motor), proses pendigitalan dari masukan ke komputer, atau tegangan yang diskalakan untuk kemungkinan terjadinya kesalahan operasi oleh manusia. Dalam pembentukan dan konstruksinya keseluruhan proses tersebut saling berinteraksi satu dengan yang lain, sehingga dapat dipadukan dalam satu rangkaian secara berdekatan tetapi tidak menutup kemungkinan untuk dipadukan dalam kondisi terpisah. SRF02 (Gambar 5.) adalah modul sensor jarak yang memiliki 2 mode komunikasi yaitu mode serial UART dan mode serial I2C. Informasi tentang bagaimana prinsip kerja SRF02 secara detail dapat dilihat pada datasheet (SRF02, Mode Serial UART, Mode Serial I2C ) 2.3.3 Sensor SRF 02 SRF 02 merupakan produk yang bekerja dengan menggunakan gelombang suara berfrekuensi tinggi atau sering dikenal dengan sebutan sensor ultrasonik. SRF02 memiliki satu transduser yang dapat digunakan dalam mengirim maupun menerima gelombang suara. Modul sensor SRF02 hanya membutuhkan tegangan
11 sebesar 5 Volt dengan arus 25 ma. Jarak yang dapat ditempuh antara 12 250 cm. SRF02 menerjemahkan suara menjadi jarak melalui 2 mode komunikasi, yaitu mode serial UART dan mode serial I2C (Robot-electronics, 2011a). Gambar 5. Sensor SRF02 (Sumber: Robot-electronics, 2011a) Pembacaan data jarak dengan I2C dilakukan dengan membaca bentuk data serial. Pada mode 8 byte, jarak ditentukan dengan menkonversi waktu tempuh sinyal yang digunakan oleh sensor dikalikan dengan kecepatan suara pada udara. Bentuk keluaran data disesuaikan dengan register dari I2C communication protocol. Adapun bentuk register yang disediakan oleh SRF02 sesuai Tabel 1. Tabel 1. Register SRF02 Sumber : Robot-electronics, 2011c Lokasi 0 menandakan awal nilai register dari SRF02, dilanjutkan dengan pembacaan perintah pemilihan range Byte baik high atau low ataupun dengan penggunaan autotune high/low Byte. Adapun I2C communication protocol yang digunakan serupa dengan I2C communication protocol pada sensor CMPS 10.
12 Berikut tampilan i2c communication protocol pada CMPS 10 sesuai dengan Gambar 6. Gambar 6. Skema I2C communication protocol (Sumber: Robot-electronics, 2011b) I2C communication protocol dimulai dengan mengirimkan start byte, penulisan alamat modul SRF02 dengan read/write low (0x82), kemudian nomor register yang akan dibaca sesuai dengan Tabel 1. Selanjutnya diikuti dengan start byte lagi dan penulisan alamat modul SRF02 dengan output berupa jarak cm. (Robotelectronics, 2011b).