Desain Konseptual Alat
Desain alat penetrometer digital berbasis Arduino Uno R3 dengan penambahan sensor ultrasonik ini menggunakan aplikasi solidwork. Alat ini didesain untuk pengembangan alat penetrometer yang berbasis digital yang dapat diaplikasikan pada lahan basah dan pengukuran kedalaman masukannya penetrometer dapat langsung tersimpan didalam SD card sehingga tidak perlu mencatat secara manual. Prinsip kerja dari pengembangan penetrometer digital ini yaitu dengan cara menekan handle sekaligus menekan tombol penetrometer kedalam tanah maka sensor ultrasonik akan memantulkan gelombang dan ditangkap kembali gelombang tersebut sehingga dibaca oleh arduino lalu angka jarak tersebut akan mucul pada LCD dan tersimpan di SD card.
Pengembangan Komponen Struktural Penetrometer Digital Batang penetrasi
Batang yang digunakan memiliki panjang 75 cm, panjang batang penetrasi ini lebih panjang dikarenakan dilakukan dilahan yang basah sebab lahan yang basah akan mudah penetrometer tersebut masuk dengan kedalaman yang lebih.
Batang penetrasi tersebut terbuat dari stanle steel anti karat sehingga tidak mudah karat dikarenakan penggunannya selalu bersentuhan dengan air. Penguncian batang penetrasi dengan kerangka dudukan load cell dapat menggunakan kunci L.
Plat penetrometer
Plat penetrometer memiliki ukuran yang berbeda-beda yakni l5 x l5 lcm2, 5 lx 10 lcm2, 5 lx 15 lcm2, 5 lx 20 lcm2 dengan tebal 0,3 cm yang dapat dihubungkan dengan batang penetrometer. Penggunaan ukuran plat tersebut disesuaikan dengan
penggunaan penelitian yang digunakan pada lahan basah. Penggunaan plat ini berhubungan dengan pembuatan sirip roda traktor.
Pengembangan Komponen Fungsional Penetrometer Digital Pengukuran jarak
Pembuatan penetrometer digital dengan pengukuran tekanan tanah sekaligus pengukuran jarak kedalaman batang penetrasi yang masuk kedalam tanah. Nilai hasil pengukuran kedalaman penetrometer didapatkan dari pengurangan tinggi batang penetrometer sebenarnya dengan tinggi batang penetrometer setelah masuk kedalam tanah. Pengukuran jarak tersebut dapat dilakukan pada lahan kering maupun lahan basah. Panjang batang penetrometer berpengaruh terhadap pengkodingan sehingga untuk mendapatkan nilai pembacaan jarak yang baik maka disesuaikan dengan panjang batang yang digunakan, sehingga pembacaan jarak sebelum dilakukan penekanan yakni 0 dan juga membersihkan permukaan lahan pengambilan data dari daun atau benda lainnya. Angka keluaran menggunakan angka desimal, waktu dalam pembacaan sensor yakni 1 detik.
Namun dikarenakan adanya pengukuran jarak dengan sudut maka adanya penambahan pembacaan sudut yang langsung dikonversikan dengan jarak baca sensor yang tegak lurus dengan tanah. Prinsip kerja pengukuran jarak dengan sudut tertentu yakni dengan cara miringkan penetrometer dengan sudut yang telah ditentukan lalu sensor ultrasonik diputar tegak lurus ke tanah dan dilakukan penekanan pada penetrometer.
28
Penyimpanan hasil pengukuran
Hasil pengukuran tersebut akan tersimpan pada SD card yang berkapasitas 2 GB, data tersebut dapat dilhat melalui telefon genggam maupun laptop.
Penghapusan file data secara otomatis dapat dilakukan pada saat peneterometer hidup dengan menekan tombol reset. Pada data yang tersimpan di SD card ada tanggal, waktu, nilai tekanan penetrasi, dan jarak.
Kalibrasi Sensor Ultrasonik HC-SR04
Sensor ultrasonik ialah sensor yang digunakan untuk mengukur suatu jarak dengan cara memantulkan gelombang suara yang dipancarkan pin pengirim ke objek dan dipantulkan kembali dan diterima oleh pin penerima dan diteruskan ke Arduino Uno R3. Kalibrasi jarak dilakukan dengan cara membandingkan pengukuran manual yakni menggunakan penggaris atau meteran dengan pembacaan dari sensor ultrasonik. Pengkalibrasian pada penelitian ini dilakukan dengan jarak 5 cm, 10 cm, 15 cm dan sudut 90o, 75o, 60o, 45o, 30o.
ditentukan. Berdasarkan grafik di atas tingkat kolerasi kalibrasi jarak yang baik terdapat pada sudut 90o sedangkan tingkat kolerasi terendah terdapat pada sudut 30o. Hal ini menujukkan bahwa pengukuran pada sudut 90o menggunakan penggaris dan sensor jarak sama. Diduga pembacaan sensor yang terlalu dekat dengan objek menyebabkan eror.
Ketepatan dan ketelitian Sensor Jarak
Pengujian ketepatan dan ketelitian jarak dilakukan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. Dari tabel 2 - 6 menujukkan bahwa pengukuran jarak
30
dibandingkan dengan pengukuran jarak pada sudut lainnya. Persen akurasi terendah menunjukkan kalibarsi jarak pada sudut 30o yakni 85,02% dimana persen akurasi kalibarsi pada jarak tersebut masih belum akurat.
Tabel 2. Ketepatan dan ketelitian jarak pada sudut Sudut Jarak
15 15,09 14,66 14,55 14,77 0,32 0,09 2,19 0,61 98,45
Rataan 98,16
60o
5 5,69 5,39 5,28 5,46 0,24 0,69 4,36 13,86 90,89
10 10,52 10,41 9,85 10,26 0,26 0,52 2,51 5,18 97,4
15 15,66 15,24 15,14 15,35 0,32 0,66 2,05 4,4 97,7
Rataan 95,33
45o
5 5,7 5,39 5,28 5,46 0,24 0,7 4,47 14,03 90,85
10 11,32 11,01 10,96 11,1 0,22 1,32 2,03 13,25 89
15 17,04 16,32 15,48 16,28 0,76 2,04 4,67 13,6 91,46
Rataan 90,44
30o
5 6,31 6,23 6,07 6,2 0,11 1,31 1,75 26,2 75,97
10 10,97 11,23 10,61 10,93 0,03 0,97 0,29 9,65 90,67
15 17,11 16,64 16,47 16,74 0,37 2,11 2,21 14,03 88,43
Rataan 85,02
Semakin kecil sudut penekanan maka akurasi pengukuran jarak semakin kecil, hal ini disebabkan semakin dekat sensor ultrasonik terhadap objek maka semakin kecil akurasinya dan juga dapat dipengaruhi oleh pengkalibrasian jarak dengan sudut putar yang ada pada sensor ultrasonik. Sebaiknya alat ini digunakan pada sudut yang memiliki akurasi yang besar, adapun pengaplikasian penetrometer digital dengan penambahan sensor ultrasonik yaitu, pada saat ingin mengambil data dilahan pada sudut 90o sensor ultrasonik sudah tegak lurus mengarah ke permukaan tanah, pada sudut 75o sensor ultrasonik diputar hingga
tegak lurus terhadap tanah sampai LCD membaca jarak 0, begitu juga dengan pengambilan data dengan sudut tekan lainnya. Pada pengolahan data, sudah dilakukan pengujian pada sudut penekanan 90o data yang ada di SD card sudah dapat diolah langsung, namun pada sudut 75o, 60o, 45o, dan 30o masih harus di lakukan perhitungan manual yakni dengan cara mengkalikan nilai jarak yang terbaca pada alat dengan sudut pada masing-masing perlakuan. Hal ini dikarenakan semua parameter sudut tidak dapat dimasukkan semua ke pengkodingan dan alat tidak dapat mendeteksi sudut secara otomatis pada saat pemakaian sehingga pembacaan jarak pada sudut 75o, 60o, 45o, dan 30o masih harus dilakukan pengkalian manual dengan sudutnya masing-masing.
Tekstur Tanah
Teksturl tanahl merupakan perbandinganl antara partikell yang ada didalam tanah baik itu partikel pasir, debu, dan liat. Hall ini sesuail dengan literaturl Shroeder (1975) yangl menyatakan lbahwa, tingkat kehalusan tanahl yangl terdapat didalamnya fraksi debu, liat, berpasir yang biasanya disebut dengan tekstur tanah.
Tanah ini diambil dari lahan sawah di Jln. Bunga Teratai Kec. Medan Selayang Medan yang telah dilakukan uji pada sifat fisik tanah seperti yang ada pada Tabel 7 :
Tabel 3. Tekstur tanah
Parameter Nilai (%) Hasil tekstur
Pasir 51 Lempung liat berpasir
Debu 24
Liat 25
Debu + Liat 49
Dilihat dari Tabel 3 menunjukkan bawah partikel pasir memiliki nilai yang lebih tinggi yakni 51%. Berdasarkan perbandingan dari parameter tekstur tanah, di
32
dapat hasil bahwa tanah tersebut merupakan bertekstur lempung liat berpasir berdasarkan sistem segitiga USDA
Kadar Air Tanah
Kadar air ialah banyaknya persen air yang berada didalam tanah. Kadar air pada setiap tanah berbeda-beda salah satunya dikarenakan terjadinya evaporasi.
Menurut Hardjowigeno (2010), bahwa Kadar air tanah ialah banyaknya air yang berada didalam pori – pori tanah. Air didalam tanah terbagi 3 jenis yakni air gravitasi, higroskopis, dan kapiler. Kadar air tanah dapat ditentukan dengan cara bobot kering tanah dengan perbandingan antara persentasi volume tanah kering dengan volume tanah total.
Tabel 4. Nilai kadar air tanah basis kering
Kedalaman (cm) Kadar air (%)
5 136,43
10 129,15
15 113,80
Tabel 5. Nilai kadar air tanah basis basah
Kedalaman (cm) Kadar air (%)
5 57,51
10 56,10
15 53,07
Dilihat dari Tabell 4 danl Tabel 5l menunjukkan bahwal nilail kadar air tanah sawah basis kering yang tertinggi terdapat pada kedalaman 5 cm. Semakin dalam ke permukaan tanah maka semakin sedikit kadar airnya. Sesuail dengan literaturl Syafruddin (2007), yangl menyatakan bahwal meningkatnya nilai kadarl airl tanah maka kepadatannya akan semakin rendah, namun semakin rendah nilai kadar air tanah maka semakin sukar dipadatkan.
Kerapatan Massa Tanah
Kerapatan massa suatu tanah akan tinggi jika kadar airnya rendah, namun jika kerapatan massa tanah tersebut rendah maka kadar air yang terdapat pada tanah tersebut tinggi. Kurniawan (2018), menyatakan bahwa bulk density tanah berhubungan dengan partikel density, dimana hubungan antara bulk density dan partikel density yakni berbandingl lurus danl berbanding terbalikl dengan kadarl airl dimana apabilal partikell density besarl makal bulk density jugal besar begitul sebaliknyal apabila kadarl air tanahl tinggi makal partikell density danl bulk density akanl rendah, apabilal tanah memilikil kadar airl yang tinggil makal memilikil kepadatan tanahl yang rendahl karena poril di dalaml tanah yangl
lcukup lbesar.
Tabel 6. Nilai kerapatan massa
Kedalaman (Cm) Kerapatan massa (gr/cm3)
Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3
5 0,58 0,47 0,61
10 0,51 0,51 0,63
15 0,63 0,66 0,71
Dilihat dari Tabel 6 menujukkan bawah kerapatan massa tertinggi terdapat pada kedalaman 15 cm sebesar 0,66 gr/cm3 dan kerapatan massa terendah terdapat pada kedalaman 5 cm sebesar 0,55 gr/cm3. Hal ini menujukkan bawah kerapatan massa tanah berbanding terbalik dengan kadar air tanah sehingga pori-pori yang berada didalam tanah pada kedalaman 15 cm memiliki pori tanah yang cukup rendah jika dibandingan dengan ruang pori yang berada padal kedalamanl 5 lcm.
Hall inil bisa terjadil karena padal kedalamanl 15 tanah lebihl padat dibandingan kedalaman 5 cm yang lebih banyak mengandung air.
34
Tabel 7. Nilai kerapatan partikel tanah
Kedalaman (cm) Kerapatan partikel tanah (gr/cm3)
Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3
5 2,49 2,79 2,51
10 2,71 2,62 2,73
15 2,69 2,84 2,8
Dilihat dari Tabel 7 menunjukkan bawah nilai kerapatan partikel tanah yang tertinggi terdapat pada kedalaman 15 cm dengan nilai rata-rata tanah 2,77 gr/cm3 , kerapatan partikel terendah terdapat padal kedalaman 5l cm denganl nilai
lrata-ratal 2,60 lgr/cm3. Nilail kerapatan partikell tanahl berbanding lurus dengan nilail kerapatanl massa, maka jika pada kedalaman 15 cm menunjukkan bahwa nilai kerapatan partikel tinggi kadar air pada kedalaman 15 rendah dikarenakan pori-pori tanah lebih sedikit sehingga air sulit untuk tersimpan. Semakin besar nilail kerapatanl massa danl kerapatan partikell maka bahanl organikl yang terdapat pada tanahl itu lebih sedikit dibandingkan dengan nilai kerapatan dan nilai partikel tanah yang rendah.
Porositas Tanah
Porositas tanah merupakan volume ruang pori yang ada berada dalam tanah pada suatul volume tanahl. yang dinyatakanl dalaml satuan lpersen.
Tabel 8. Nilail porositasl tanah
Kedalaman (cm) Porositas tanah (%)
Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3
5 78,77 83,02 75,51
10 85,14 78,44 78,77
15 76,65 75,51 69,22
Tabel 8. Menunjukkan bahwa nilai porositas tanah tertinggi pada kedalaman 10 cm dengan nilai rata-rata 80,78%, kedalaman 5 cm dengan nilai rata-rata 77,01%, dan 15 cm dengan nilai rata-rata 77,89%. Dari hasil tersebut dapat diketahui
bahwa porositas tanah tersebut masuk kelas Pouros menurut Arsyad (1989) yang dapat dilihat pada Tabel 1. Jika pada kedalaman 10 memiliki porositas tertinggi maka dapat disimpulkan bahwa pada tanah sawah tersebut lebih banyak memiliki ruang pori didalam tanah yang diisi oleh udara dan air.
Tahanan Penetrasi Tanah
Nilai penetrasi tanah tertinggi pada plat 5 x 5 cm dengan sudut 75o dengan nilai penetrasi rataan 34,78 kg/cm2 sedangkan nilai penetrasi tanah terendah diperoleh pada plat 5 x 10 cm dengan sudut 60o sebesar 4,96 kg/cm2. Hal ini didukung dengan hasil analisis statistik menunjukkan bahwa perlakuan plat dan kedalaman masuknya batang penetrometer berpengaruhl sangat nyatal pada tarafl
36
Nilai tekanan penetrasi tanah menunjukkan bahwa semakin dalam jarak penekanan maka semakin besar nilai tekanan penetrasi karena sifat tanah menunjukkan bahwa kerapatan partikel tanah yang semakin bawah memiliki kerapatan massa yang lbesar. Hall ini sesuail dengan literaturl Rizaldi,dkkl (2018) yangl menyatakanl dalamnya plat dan batang penetrometer yang masuk ke dalam tanah menyebabkan tingginya daya penekanan yang terjadi pada plat.
Dikarenakan semakin dalam masuknya plat semakin dekat plat terhadap lapisan tanah yang keras.
Pengaruh Ukuran Plat dan Sudut Tekan Terhadap Tahanan Penetrasi Tanah
Dilihat pada Lampiran 9 diperoleh interaksi antara ukuran plat terhadap sudut penekanan memiliki pengaruh sangatl nyata padal taraf lα = l5% danl αl = l1%.
Perbedaan ukuran plat akan menghasilkan daya penekanan yang tidak seragam. Diperoleh tahanan penetrasi tertinggi pada plat 5 x 5 cm2 dengan sudut 75o dan tahanan penetrasi terendah pada plat 5 x 10 cm2 dengan sudut 60o. Dilihat pada grafik Gambar 17. semakin kecil luas permukaan plat maka semakin besar nilai tahanan penetrasinya dan sebaliknya semakin besar luas permukaan plat maka semakin kecil tahanan penetrasi. Berdasarkan literatur Rizaldi,dkk (2018) menyatakan bahwa bertambahnyal ukuran platl berbandingl lurusn denganl gayal penekananl dan berbandingl terbalik denganl tahanan lpenetrasi, bertambahnyal sudut penekananl maka gayal penekanan danl tahanan penetrasil semkain lbesar.
Pengaruh Kedalaman Tanah dan Sudut Tekan Tehadap Tahanan Penetrasi Tanah
Dilihat pada Lampiran 9 diperoleh interaksi antara kedalaman tanah dan sudut tekan terhadap tahanan penetrasi tanah berpengaruhl sangat nyatal pada tarafl
lα = l5% danl αl = l1% pada. Kedalaman penekanan plat dan sudut penekanan plat mempengaruhi gaya penekanan sehingga dapat mempengaruhi tahanan penetrasi.
Dilihat pada Gambar 16 semakin dalam penetrometer ditekan maka semakin besar tahanan penetrasi. Sesuai dengan penelitian Iqbal (2019), yang menyatakan bahwa dalamnya plat dan batang penetrometer masuk ke dalam tanah, gayal reaksi tanahl terhadapl plat semakinl besarl dan sudut penekananl 90o memiliki nilai dayal yang lebih besar hal itu dikarenakan gaya dorong pada sudut 90o lebih besar dibandingkan sudut lainnya.
38