Penelitian ini dilakukan selama bulan April 2013 sampai dengan Juli 2013 di Laboratorium Lapang Siswadhi Supardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem di Leuwikopo Bogor dan Laboratorium Sprayer CREATA, Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat IPB.
Bahan dan Alat
Bahan semprotan yang digunakan pada penelitian ini adalah air yang diasumsikan sebagai pupuk cair yang telah dilarutkan dengan air. Sedangkan alat-alat yang digunakan tertera pada Tabel 2.
Tabel 2 Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian
Bahan dan peralatan Spesifikasi Kegunaan Knapsack electric
sprayer
Jenis bahan pembuat tangki high density
/HDPE
Alat yang akan dimodifikasi Nosel Terdapat tiga tipe yang
digunakan Flat fan spray nozzle, Cone nozzle, dan
Deflektor nozzle
Sebagai salah satu perlakuan perbedaan dan pengaruh jenis
nosel
Corong Bahan plastik Penyearah udara
Kertas concord Warna putih 160 gram Sebagai media untuk mengetahui droplet dari
sprayer
Tinta negra Pemberi warna pada
cairan dalam tangki
Pengukur waktu Digital Mengukur lama
waktu Peralatan timbang Kapasitas maksimal 25
kg
Mengukur bobot Gelas ukur Kapasitas 1 liter Mengukur volume
cairan
Penggaris / mistar Metal, 50 cm Mengukur panjang Peralatan uji
penyemprot/ patternator
2m x 1m Mengukur sudut,
lebar, dan tinggi penyemprotan
Busur derajat Kayu, 180o Mengukur besar
Metode Penelitian Perancangan
Pada tahap ini akan dilakukan uji coba terlebih dahulu, dimana membuat sistem pengaliran fluida paksa menggunakan motor listrik DC yang terintegrasi terhadap penggunaan daya dari aki pada sprayer elektrik, blower tersebut dipasang di atas nosel untuk memberikan tekanan dalam penyaluran droplet hasil keluaran. Perlakuan
Faktor utama dalam perlakuan yang diberikan dalam penelitian ini adalah faktor ketinggian dengan pengaruh angin yang diinvestasikan antara nosel terhadap kolektor yaitu sensitive paper (T) dan jenis nosel yang digunakan (N). Pergeseran yang terjadi diamati pada patternator.
Untuk nosel (N) digunakan tiga jenis nosel yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 11.
N1= Flat fan sray nozzle N2= Cone nozzle
N3= Deflektor nozzle
Gambar 11 Dari kiri ke kanan: Flat fan spray nozzle, Cone nozzle dan Deflektor nozzle
1. Parameter yang diukur
Parameter yang diukur pada penelitian ini adalah: 1.1 Debit cairan
Tangki air diisi penuh hingga batas leher tutup tangki. Waktu perhitungan dimulai ketika air mulai keluar dari nosel dan dihentikan ketika tidak ada lagi air yang keluar dari nosel. Tahap berikutnya dilakukan pembersihan sisa air pada tangki dan selang nosel. Sisa air tersebut dikurangi dengan jumlah air pada tangki (Gambar 12).
Gambar 12 Ilustrasi pengukuran debit dari knapsack power sprayer (Houmy 1999)
1.2 Jumlah butiran semprot per satuan luas pada water sensitive paper agar diketahui taraf penutupan dari hasil suatu penyemprotan terhadap suatu sasaran.
1.3 Kecepatan angin blower dan angin samping pada proses pemindahan titik semprot untuk mengetahui reduksi tekanan yang dapat dihasilkan oleh hasil rancangan blower nosel sprayer.
1.4 Sebaran dengan menggunakan analisis perhitungan CU pada patternator untuk mengetahui perbedaan luasan semprot antara sprayer manual dan sprayer elektrik.
1.5 Luasan penyemprotan terhadap perbedaan tekanan antara sprayer manual dan elektrik.
1.6 Hasil penyemprotan di lapang antara penerapan nosel N1, N2, N3 dari penggunaan sprayer manual dan sprayer elektrik menggunakan papan sampel kepadatan gulma seperti yang disajikan dalam diagram alir pada Gambar 14.
Water sensitive paper tidak digunakan dalam penelitian ini melainkan kertas concord warna putih sebagai media penangkap droplet dan tinta sebagai pemberi warna pada air dalam tangki agar noda terlihat pada kertas. Perbandingan campuran air dengan tinta adalah 500 ml air dan 57 ml tinta (satu botol tinta). 2. Uji penyemprotan mengetahui lebar penyemprotan
Uji penyemprotan untuk menentukan besar sudut penyemprotan, lebar penyemprotan dan tinggi penyemprotan.
Prosedur uji penyemprotan berdasarkan BSN (2008) :
(a) Tempatkan atau posisikan pipa penyemprot (lance) di dalam peralatan uji penyemprotan (patternator) sedemikian rupa sehingga butiran halus (droplet) yang keluar dari mulut nosel dapat terdistribusi secara vertikal. Jarak vertikal nosel ke bidang horisontal adalah 600 mm.
(b) Isi tangki sprayer dengan air hingga paling tidak 75% dari volume nominalnya.
(c) Gerakkan tuas pompa dengan frekuensi maksimum 35 langkah/menit sedemikian rupa sehingga tercapai tekanan semprot optimum sesuai petunjuk dalam buku instruksi.
(d) Jika tidak ada informasi dalam buku instruksi maka penyemprotan dilakukan pada tekanan (300 ± 20) kPa atau (3 ± 0.2) bar.
(e) Lakukan penyemprotan dengan cara membuka katup penutup dan ukur besar sudut penyemprotan, α(°), menggunakan busur derajat, seperti
ditunjukkan dalam Gambar 13.
(f) Lakukan penyemprotan kembali dengan cara membuka katup penutup dan ukur volume cairan yang tertampung pada setiap botol penampung
(g) Gambarkan histogram distribusi volume cairan, lalu tumpang-tindihkan histogram bagian sisi kanan dan kiri.
(h) Lebar penyemprotan efektif, LPE (mm), diperoleh dari menghubungkan histogram-histogram volume cairan yang mempunyai CU terkecil dari beberapa kali tumpang tindih.
Gambar 13 (a) Sudut penyemprotan dan (b) Tinggi penyemprotan efektif Pengukuran KLT menggunakan pendekatan kepada KLT untuk pengolahan tanah. Modifikasi yang dilakukan pada knapsack sprayer membuat penyemprotan tidak diayunkan. Lebar penyemprotan diganti dengan jarak antara tanah, karena penyemprotan ini diperuntukkan bagi tanaman yang memiliki jarak tanam.
Kapasitas lapang teoritis (KLT) dapat dihitung dengan persamaan berikut:
KLT = 0.36 ( v x l ) Dimana :
KLT = Kapasitas lapang teoritis (ha/jam) v = Kecepatan rata-rata (m/detik)
l = Lebar penyemprotan atau jarak antar tanaman (m)
Untuk menghitung kapasitas lapang efektif (KLE) hanya diperlukan data waktu keseluruhan dari mulai bekerja hingga selesai (WK) dan luas hasil area yang disemprot (L). Persamaan yang dipakai adalah :
Dimana:
KLE = Kapasitas lapang efektif (ha/jam) L = Luas area yang disemprot (ha) WK = Waktu kerja (jam)
Persamaan yang dipakai untuk menghitung efisiensi lapang (Eff) adalah:
Eff = (KLE / KLT) X 100 %
Metode yang digunakan untuk mengkuantitatifkan keseragaman sistem penerapan nosel. Metode ini dilakukan dengan cara menempatkan gelas penampung di alat ukur. Sebuah sampel yang ditampung dari gelas penampung untuk mengevaluasi keseragaman sistem irigasi nosel dengan jarak rectangular. Christian’s uniformity coefficient
CU = Koefisien keseragaman Christiansen
Xi = Kedalaman air dalam gelas penampung i, (mm) X = Rata-rata kedalaman penampung (mm)
Prosedur Penelitian
Gambar 14 Diagram alir kegiatan penelitian Identifikasi masalah dalam
penyemprotan
Selesai Pengolahan data
dan pelaporan,
Identifikasi sprayer elektrik dan manual, pengujian tiap jenis nosel, pengujian daya dukung energi listrik pada baterai sprayer
elektrik
Analisis dan perhitungan teknis desain blower Pembuatan prototipe blower
Perumusan dan penyempurnaan konsep desain blower
Uji fungsional
Berhasil Tidak
Ya Uji kinerja dan pengujian lapang
Identifikasi Masalah Penyemprotan
Proses penyemprotan menggunakan sprayer memiliki berbagai kendala pada saat kegiatan operasional, salah satu yang menjadi kendala dalam hal ini adalah terjadinya ketidakmerataan hasil semprotan pada obyek yang akan ditangani, kondisi tersebut akan mempengaruhi hasil dan efektivitas pada penggunaan bahan kimia. Angin menjadi kendala tersendiri karena proses penyemprotan meskipun dilakukan pada kondisi angin yang kecil akan tetapi proses pemindahan titik semprot pada batang stik sprayer juga menjadi sumber angin yang akan menghambat terjadinya pemerataan distribusi, hasil pengukuran awal yang telah dilakukan menunjukkan kondisi angin umumnya berkisar pada kecepatan 0.3–1.4 m/s. Sehingga perlu adanya penanganan lanjutan untuk mereduksi pengaruh angin tersebut. Identifikasi Sprayer dan Daya Dukung Energi
Proses identifikasi dalam suatu perancangan blower sprayer ini perlu dilakukan agar hasil rancangan dapat teraplikasikan dan terintegrasi dengan sprayer, selain itu untuk mengetahui secara spesifik komponen-komponen yang terdapat pada elektrik sprayer maupun manual sprayer. Identifikasi juga dilakukan pada komponen baterai untuk mengetahui sejauh mana daya dukung baterai dapat bekerja dan dimanfaatkan pada dua jenis kerja meliputi pemompaan pompa sprayer dan pengoperasian blower.
Perumusan dan Penyempurnaan Konsep Desain Blower.
Setelah dilakukan proses identifikasi, maka perlu adanya perumusan konsep desain seperti apa yang cocok dalam merancang blower ini, sehingga dapat bekerja sebagaimana mestinya.
Analisis dan Perhitungan Teknis
Proses analisis ini untuk mendapatkan kondisi hasil rancangan yang tepat dan sesuai dengan konsep yang telah direncanakan. Berikut adalah analisis yang perlu dilakukan dalam proses perancangan ini. Pada hasil konsep desain yang direncanakan memiliki area outlet diameter 20 cm dan menghasilkan aliran udara dengan kecepatan 3 m/s, pada tekanan statis 390 kPa (tekanan minimum lubang nosel yang telah diukur) dan kebutuhan daya 15 Watt, maka dapat diketahui tekanan yang dapat dihasilkan blower dan efisiensi totalnya :
V = 3 m/s
Pt = ps + v2 ρ /2 = 390 + (32)(1.2 kg/m3) / 2 = 395.4 kPa
etotal = pt Q / P = 395.4 (0.012) / 15 = 33 %
Berdasarkan hasil pengukuran tekanan sebesar 395.4 kPa tersebut maka desain sudah layak untuk kemudian dirancang dan diimplementasikan.
Proses Pembuatan Prototipe Blower
Pada tahap ini perlu dilakukan ketelitian yang besar untuk mendapatkan hasil prototipe sesuai dengan yang diharapkan, selain itu agar tidak terjadi kerusakan pada blower akibat kesalahan pemasangan komponen listrik.
Pengujian dan Pengambilan Data
Cara kerja pengambilan dan pengumpulan data dilakukan sebagai berikut: a. Persiapan alat semprot yang belum dimodifikasi.
b. Alat semprot nosel dimodifikasi dengan desain pada Gambar 15. c. Mengukur debit air.
d. Dilakukan pengukuran lebar penyebaran dan pola distribusi cairan dengan menderetkan gelas air mineral.
e. Knapsack electric sprayer dikenakan pada seorang operator dan dipersilahkan untuk berjalan lurus pada suatu lintasan.
f. Tepat di bawah nosel akan diletakkan water sensitive paper. Kemudian dilakukan penyesuaian ketinggian 60 cm dan akan dikombinasikan jenis nosel yang dipakai, dengan ini terdapat 9 kombinasi data yang berbeda. g. Pengumpulan kembali water sensitive paper setelah diberikan beberapa saat
dengan maksud supaya butir-butir yang halus sudah mencapai permukaan kolektor.
h. Setelah water sensitive paper dirasakan kering maka segera dimasukkan ke dalam plastik, hal ini untuk menghindari kotoran dan kerusakan akibat kontak dengan udara luar yang terjadi pada water sensitive paper.
i. Water sensitive paper yang telah manampung butiran semprot, dilakukan scan dengan menggunakan scanner.
j. Dilakukan pengujian lapang pada lahan datar yang memiliki kepadatan gulma beragam untuk mendapatkan KLT, KLE dan efisiensi lapang.
k. Data yang telah diolah selanjutnya digunakan sebagai bahan penulisan skripsi.
Gambar 15 Desain orthogonal rancangan blower udara paksa untuk memodifikasi penyemprotan
Hasil Modifikasi Nosel Udara Paksa
Proses modifikasi nosel dengan udara paksa hanya diterapkan pada elektrik sprayer untuk meratakan hasil penyemprotan. Tujuan fungsional yang ingin dicapai adalah pola sebaran yang tepat pada titik semprot sesuai pada perpindahan batang nosel di lokasi penyemprotan, blower mendapatkan sumber listrik dari aki yang terdapat pada elektrik sprayer untuk memutar pompa. Kegiatan modifikasi ini tidak terdapat perubahan dalam tangki, pompa dan tuas pompa.
Blower
Modifikasi yang pertama dilakukan adalah menentukan blower yang hendak diaplikasikan pada sprayer dengan kriteria yang sesuai dengan yang diharapkan meliputi bobot blower 20-50 gram , penyearah fluida dengan diameter 15-20 cm, beban listrik 5-15 Watt seperti pada Gambar 16. Melalui perhitungan teknis dan survey pasar pada jenis kipas maka dipilih kipas dengan spesifikasi berikut ini (Tabel 3).
Tabel 3 Spesifikasi kipas
Spesifikasi Besaran atau bahan
Daya 15 Watt Arus DC Putaran maksimum 750 rpm Panjang keseluruhan 12 cm Lebar kipas 15-20 cm Berat 74 gram (a) ( b)
Gambar 16 Hasil perancangan nosel blower (a) Tampak atas, (b) Tampak samping
Rangkaian Elektronika Segitiga Dioda
Rangkaian ini diterapkan untuk membuat putaran kipas tetap searah meskipun dengan kondisi penerapan pada sumber daya (aki) yang terbalik seperti yang terpasang pada Gambar 17.
Gambar 17 Rangkaian pendukung penerapan blower Perhitungan Daya Terpakai
Penambahan penyalur daya listrik untuk mendukung implementasi blower pada nosel yang memanfaatkan energi pada aki sprayer. Secara teknis pengaruh pada ketersediaan energi yang ter-cover oleh aki, pendekatan teknisnya dapat dilihat pada perhitungan berikut
Beban pompa = 24.8 Watt
Blower = 15 Watt
Total beban = 40 Watt
Aki yang digunakan 12 V, 12 Ah
Arus 40 Watt/12 V = 3.33 A Sehingga
12 Ah/3.33 A = 3.6 jam
Nilai diefisiensi baterai = 0.5 jam