6
Pembuatan prototipe sensor potensial listrik sebagai perangkat penunjang pada
ReceiverControlled Source Electromagnetic
Widyaningrum Indrasaria, Umiatina, Mitra Djamalb, Danang Trihatmokoc
a
Staf Pengajar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Jakarta
b
Staf Pengajar KK Fisika Teoritik Energi Tinngi dan Instrumentasi FMIPA Institut Teknologi Bandung
c
Laboratorium Elektronika Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Jakarta
Abstrak
Telah dilakukan pembuatan dan karakterisasi prototype sensor potensial listrik. Berdasarkan kalibrasi sensor potensial listrik X terhadap kalibrator kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum pada kenaikkan tegangan input kalibrator masing-masing yaitu mencapai 0,013 V - 0,0288V dan 0,21% - 0,41% pada daerah kerja 0,041V-0,05V. Kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum dengan penurunan tegangan input kalibrator masing-masing yaitu mencapai 0,011V-0,034V dan 0,025% - 0,034% pada daerah kerja 0,035V - 0,049V. Sensor potensial listrik yang diperoleh pada penelitian ini memenuhi syarat untuk digunakan sebagai perangkat penunjang receiver Controlled Source Electromagnetic (CSEM).
Kata kunci: Sensor potensial listrik, kalibrasi, CSEM, receiver
1. Pendahuluan
Survey geofisika merupakan suatu kegiatan untuk mengetahui keadaan geologi bumi dengan menggunakan prinsip-prinsip fisika. Terdapat berbagai macam metode survey geofisika, secara garis besar dapat dibedakan manjadi dua yaitu metode destruktif dan non-destruktif..Metode Elektromagnetik (EM)merupakan metode survey geofisika non destruktif yang menggunakan prinsip perambatan gelombang elektromagnetik (EM)melalui proses induksi kedalam lapisan permukaan bumi untuk membangkitkan medan EM sekunder di dalam permukaan bumi.Informasi yang diperoleh pada survey tersebut digunakan untuk mengetahui aspek fisis mineral atau batuan yang memiliki nilai resistivitas tertentu. Selanjutnya dengan berbekal hambatan jenis dari mineral lapisan permukaan bumi akan diperoleh perkiraan sebaran resistivitas listrik batuan.
Resistivitas listrik merupakan parameter penting untuk mengkarakterisasi keadaan fisik bawah permukaan.Nilai resistivitas listrik ini bergantung pada temperatur, porositas batuan, fluida yang mengisi batuan, dan konduktivitas fluida berpori [1,2,4,7].
Metodologi pelaksanaan survey metode EM cukup banyak, secara garis besar dapat dikelompokan menjadi EM aktif dan EM pasif. EM pasif menggunakan sumber-sumber medan elektromagnetik alam. Sedangkan EM aktif atau Controlled Source Electromagnetic (CSEM) menggunakan sumber pembangkit gelombang elektromagnetik buatan berupa dipole listrik (galvanic) yang dibumikan atau berupa loop arus yang diletakkan secara horisontal pada permukaan tanah.
Sebuah perangkat CSEM umumnya tersusun dari dua bagian, transmiter dan receiver(gambar1).
Gambar 1. Skema CSEM (modifikasi dari Zonge, K.L.1992)
Transmiter
yang
menghasilkan arus bolak balik dalam bentuk sine wave, square wave, atau sawwaveakan memancarkan medan EM primer ke segala
arah, sebagian dari medan elektromagnetik ini menembus bumi dan akan berinteraksi dengan material bumi. Material yang bersifat konduktif akan terinduksi oleh medan tersebut, dan menimbulkan arus Eddy
(telluric current). Arus ini kemudian membangkitkan
medan elektromagnetik sekunder berupa medan magnet dan medan listrik yang akandipancarkan kembali ke segala arah.Sesampai di permukaan bumi, medan sekunder kemudian ditangkap oleh receiver sebagai data (gambar 2).
7 Transmitter Receiver Arus Eddy Elemen Konduktor Permukaan Medan primer termodifikasi Medan EM primer Medan sekunder Medan primer Medan sekunder
Gambar 2. Survey Metode EM (Reynolds, 1977)
Nilai medan sekunder baik medan magnetik maupun medan listrik yang terukur dalam metode ini cukup kecil, sehingga diperlukan sensor medan magnetik dan listrik dengan sensitivitas dan resolusi tinggi.
Pada makalah ini kami mengembangkan sensor potensial listrik yang akan dipakai nantinya dalam pengukuran elektromagetik. Sensor potensial listrik berfungsi sebagai monitoring medan listrik dalam permukaan tanah.
2. Prinsip dasar sensor potensial
Sebaran medan listrik E diperoleh dengan mengukur beda potensial di beberapa titik survey. Beda potensial antara masing-masing pasangan titik yang berbeda diukur menggunakan rangkaian ADC khusus. Jumlah rangkaian untuk mengukur beda potensial antara beberapa titik dapat direduksi dengan menggunakan rangkaian multipleks sehingga cukup menggunakan satu rangkaian ADC. Rangkaian multipleks dan ADC untuk mengukur keluaran sensor fluxgate dan sensor potensial memiliki topologi yang sama dengan pemilihan komposisi rentang wilayah kerja yang berbeda. Secara umum digambarkan pada gambar 3. Elemen sensor yang akan diukur dipilih dengan IC 4052/4051 yang diatur oleh mikrokontroler. Pre-amp Tapis Lolos bernoktah 50 Hz & 150 Hz Atenuator bertingkat
Tapis lolos pita (rentang frekuensi kerja) Penyearah & Pendeteksi polaritas ADC + Referensi tegangan Keluaran Sinyal
Gambar 3. Skema sensor potensial
Bagian penguat awal atau pre-amplifier menggunakan penguat instrumentasi terintegrasi AD620. Pengukuran sinyal dari sensor fluxgate tidak diperkuat, sedangkan sinyal dari pasangan probe diperkuat 100 kali. Kinerja penolakan sinyal serupa atau CMRR dari penguat instrumentasi ini berada pada kisaran -100dB.Tapis lolos bernoktah berfungsi untuk menghalangi derau pada frekuensi 50 Hz yang merupakan frekuensi PLN. Pada umumnya frekuensi harmonik ketiga juga berpengaruh besar pada proses pengukuran. Oleh karena itu, ditambahkan juga penapisan pada frekuensi 150 Hz yang merupakan frekuensi harmonik kelipatan tiga dari
frekuensi dasar jala-jala PLN. Penapisan lolos bernoktah pada frekuensi 50 Hz dilakukan dengan menggunakan rangkaian T-kembar (twin-T) yang memiliki harga Q yang tinggi. Pemilihan harga komponen merujuk pada persamaan :
𝑓𝑓
0=
2𝜋𝜋𝑅𝑅11𝐶𝐶1 (1)𝑄𝑄 =
𝑅𝑅𝑄𝑄2𝑅𝑅0 (2)
Sinyal hasil penapisan terkadang perlu dilemahkan agar sesuai dengan rentang kerja ADC. Untuk itu digunakan rangkaian penguat inverting dengan beberapa konfigurasi penguatan. Pemilihan tingkat pelemahan dikendalikan oleh mikrokontroler dengan pilihan tanpa pelemahan, pelemahan 1/10 kali dan 1/100 kali. Penapisan frekuensi kerja yang digunakan sesuai dengan kebutuhan aplikasi (di bawah 10kHz) digunakan rangkaian tapis lolos rendah orde empat tipe.
ADC pada umumnya hanya memiliki rentang kerja sinyal positif. Sinyal yang akan diukur memerlukan rangkaian penyearah dan rangkaian pendeteksi polaritas. Harga polaritas sinyal dikenali menggunakan komparator LM393. ADC yang digunakan adalah ADS7822 yang memiliki resolusi 12-bit, komunikasi serial dua jalur dan membutuhkan masukan tegangan referensi.Rangkaian tegangan referensi menggunakan OP07 yang diatur agar berada pada bagian terbesar pada rentang input dari ADC. Disini bertujuan untuk memperbaiki noise immunity dan resolusi. Sebagai rangkaian penyangga menggunakan LM329 sehingga tegangan referensi yang dihasilkan dari VCC dan VREF
menjadi 4.096 V untuk ADC.
3. Hasil dan pembahasan
Sensor potensial listrik berfungsi sebagai penerima respon beda tegangan yang ditimbulkan oleh permukaan bumi akibat gangguan yang diberikan oleh penginjeksi arus. Kalibrasi terhadap kalibrator dilakukan dengan memberikan tegangan input 0 V – 0,05 V. Pengukuran dilakukan dengan metode menaikkan dan menurunkan tegangan input kalibrator secara bertahap, hasil kalibrasi sensor X terlihat pada gambar 4 dan gambar 5.
8
Gambar 4.Kalibrasi sensor potensial listrik X dengan kenaikkan tegangan input kalibrator.
Gambar 5. Kalibrasi sensor potensial listrik X dengan penurunan tegangan input kalibrator.
Untuk mendapat nilai koreksi pengukuran pada sensor potensial I maka data pengukuran dimodelkan dengan persamaan matematika orde empat seperti ditunjukkan pada persamaan (3) untuk kenaikkan tegangan dan persamaan (4) untuk penurunan tegangan.Persamaan terssebut diperoleh dari invers data pengukuran.
Kalibrasi sensor potensial listrik X dengan kenaikkan tegangan input. Pengukuran 1 𝑦𝑦 = 0,0005 𝑥𝑥4− 0,0049 𝑥𝑥3+ 0,0202 𝑥𝑥2− 0,0318 𝑥𝑥 + 0,018 Pengukuran 2 𝑦𝑦 = 0,0004 𝑥𝑥4− 0,0046 𝑥𝑥3+ 0,0191 𝑥𝑥2− 0,0301 𝑥𝑥 + 0,0171 Pengukuran 3 𝑦𝑦 = 0,0003 𝑥𝑥4− 0,0025 𝑥𝑥3+ 0,0091 𝑥𝑥2− 0,0102 𝑥𝑥 + 0,0032(3)
Kalibrasi sensor potensial listrik X dengan penurunan tegangan input. Pengukuran 1 𝑦𝑦 = 0,0015 𝑥𝑥4− 0,018 𝑥𝑥3+ 0,0784 𝑥𝑥2− 0,1414 𝑥𝑥 + 0,0908 Pengukuran 2 𝑦𝑦 = 0,0018 𝑥𝑥4− 0,021 𝑥𝑥3+ 0,092 𝑥𝑥2− 0,1677 𝑥𝑥 + 0,1091 Pengukuran 3 𝑦𝑦 = 0,0018 𝑥𝑥4− 0,0217 𝑥𝑥3+ 0,0954 𝑥𝑥2− 0,1745 𝑥𝑥 + 0,1143(4)
Untuk mengetahui kesesuaian pendekatan matematika yang digunakan dilakukan analisis kesalahan absolut dan kesalahan relatif. Hasil analisis kesalahan ini ditunjukkan oleh grafik 6 dan 7 (kesalahan sabsolut), kemudian grafik 8 dan 9 (kesalahan relatif). Kesalahan absolut maksimum untuk kenaikkan tegangan input kalibrator pada pengukuran 1 sebesar 0,022 V dengan kesalahan relatif 0,34% terjadi di daerah kerja 0,041 V. Pada pengukuran 2 kesalahan absolut 0,028 V dengan kesalahan relatif 0,41% terjadi di daerah kerja 0,047 V. Pada pengukuran 3 kesalahan absolut 0,013 V dengan kesalahan relatif 0,21% terjadi di daerah kerja 0,05V.
Pada penurunan tegangan input, pengukuran 1 kesalahan absolut sebesar 0,016 V dengan kesalahan relatif 0,25% berada di daerah kerja 0,049 V. Pengukuran 2 kesalahan absolut sebesar 0,034 V dengan kesalahan relatif 0,51% berada diaerah kerja 0,035 V. Pengukuran 3 kesalahan absolut sebesar 0,01 V dengan kesalahan relatif 0,15% berada di daerah kerja 0,046 V.
Gambar6. Kesalahan absolut sensor potensial listrik X dengan kenaikkan tegangan input kalibrator.
Gambar 7. Kesalahan absolut sensor potensial listrik X dengan penurunan tegangan input kalibrator.
0 1 2 3 4 5 6 0 0.02 0.04 0.06 Te ga ng an O ut put S ens or (V )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran I Pengukuran II Pengukuran III 0 1 2 3 4 5 6 0 0.02 0.04 0.06 Te ga ng an O ut put S ens or (V)
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran I Pengukuran II Pengukuran III 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0 0.02 0.04 0.06 Ke sa la ha n A bs ol ut S en sor (V)
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran 1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.02 0.04 0.06 Ke sa la ha n A bs ol ut (V )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran 1
Pengukuran 2 Pengukuran 3
9
Gambar 8. Kesalahan relatif sensor potensial X dengan kenaikkan tegangan input kalibrator.
Gambar9. Kesalahan relatif sensor potensial listrik X dengan penurunan tegangan input kalibrator.
Sensor potensial listrik mengalamai penguatan dari tegangan input, hal ini dimaksudkan agar tegangan input terbaca pada skala kerja mikrokontroler. Untuk mengetahui berapa besar penguatan yang diterapkan, maka dilakukan pendekatan pada daaerah linier pengutan sensor potensial listrik.
Gambar 10. Daerah linieritas penguatan sensor potensial listrik X dengan kenaikkan tegangan input kalibrator.
Gambar 11. Daerah linieritas penguatan sensor potensial listrik X dengan penurunan tegangan input kalibrator.
Berdasarkan grafik 10, terlihat daerah linieritas penguatan rata-rata berada pada tagangan input kalibrator 0,022 V < V < 0,05 V (kenaikkan tegangan input kalibrator) . Sedangkan pada grafik 11 daerah linieritas penguatan rata-rata berada pada daerah tegangan input kalibrator 0,037 V < V < 0,05 V (penurunan tegangan input).
4. Kesimpulan
Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan dan karakterisasi sensor potensial listrik. Berdasarkan kalibrasi sensor potensial listrik X terhadap kalibrator kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum pada kenaikkan tegangan input kalibrator masing-masing yaitu mencapai 0,013 V - 0,0288V dan 0,21% - 0,41% pada daerah kerja 0,041V-0,05V. Kesalahan absolut maksimum dan kesalahan relatif maksimum dengan penurunan tegangan input kalibrator masing-masing yaitu mencapai 0,011V-0,034V dan 0,025% - 0,034% pada daerah kerja 0,035V - 0,049V.
Sensor yang diperoleh pada penelitian ini memenuhi syarat untuk digunakan sebagai perangkat penunjang
receiver Controlled Source Electromagnetic (CSEM).
Ucapan terima kasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada DP2M DIKTI DEPDIKNAS yang telah membiayai penelitian ini melalui Program Hibah Bersaing Dikti 2011 dengan nomor kontrak 01/SP2H/Ditlitabmas/HB/LP-UNJ/VI/201 tanggal 1 Juni 2011.
Daftar pustaka
[1] F.J. Liera, M. Sato, K. Nakatsuka, H. Yokoyama. (1990). Temperature dependence of the electrical resistivity of water-saturated rocks.Geophysics 55, 576–582.
[2] J.F. Hermance. (1995).Electrical conductivity models of
the crust and mantle. AGU Ref. Shelf 1, Global Earth
Phys., Handbook of Phys. Constants,pp.190–205. [3] Rashid H, Muhammad. (2007). Power Electronics
Handbook Second Edition.Academic Press. California.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.02 0.04 0.06 Ke sal ah an R el at if ( % )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran 1 Pengukuran 2 Pengukuran 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Ke sal ah an R el at if ( % )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran 1 Pengukuran 2 Pengukuran 3 100 100.5 101 101.5 102 0 0.02 0.04 0.06 Pe ng ua ta n S en sor (× )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran 1 Pengukuran 2 Pengukuran 3 100 100.2 100.4 100.6 100.8 101 101.2 0 0.02 0.04 0.06 Pe ng ua ta n S en sor (× )
Tegangan Input Kalibrator (V) Pengukuran
1
Pengukuran 2
10
[4] R.D. Hyndman andP.M. Shearer. (1989). Water in the lower continental crust: modeling magnetotelluric and seismic reflection results. Geophys. J. Int. 98, 1343–365. [5] Sutrisno. (1986). Elektronika Teori dan
Penerapannya.ITB. Bandung.
[6] W. M. Telford, L. P. Geldard, R.E Sheriff. (1990).
Applied Geophysics Second Edition.Cambridge University
Press. New York.
[7] W. Srigutomo, T. Kagiyama, W. Kanda, H. Munekane, T. Hashimoto, Y. Tanaka, H. Utada, M. Utsugi. (2008). Resistivity structure of Unzen Volcano derived from time domain electromagnetik (TDEM) survey, Journal of
