B A B III. T I N J A U A N P U S T A K A
Aplikasi level s e n s o r s e b a g a i p e n d e t e k s i ketinggian p e r m u k a a n cairan di d a l a m industri d i p e r g u n a k a n s e c a r a luas s e b a g a i alat p e n g a m a n d a l a m m e m o n i t o r pengisian cairan ke d a l a m kontainer. S i s t e m p e n g a m a n bekerja d i m a n a s e s a a t s e b e l u m cairan m e n c a p a i ketinggian p e r m u k a a n y a n g d i i z i n k a n , m a k a p r o s e s pengisian kontainer secara otomatis d i h e n t i k a n , p o m p a d i m a t i k a n a t a u a l a r m akustik d a n optis d i n y a l a k a n [ G u t m a n n , 2 0 0 2 ; H o f f m a n n , 1999].
M e t o d e ini j u g a d a p a t d i p e r g u n a k a n untuk m e n d e t e k s i ketinggian p e r m u k a a n air s u n g a i , y a n g d i k o m b i n a s i k a n d e n g a n sistem telemetri untuk m e n g i r i m data dari d a e r a h aliran s u n g a i ( D A S ) ke stasiun p e n g a m a t a n di d a e r a h p e m u k i m a n . D e w a s a ini terdapat b a n y a k m e t o d e p e n g u k u r a n ketinggian (level s e n s o r ) seperti dijelaskan d a l a m [Trankler, 1998]. T a b e l 1. Matriks p e r b a n d i n g a n b e b e r a p a level s e n s o r 3 3 >^ c Prinsip K e l e b i h a n K e l e m a h a n '•*-» c o c o Float switch • Struktur s e d e r h a n a , biaya rendah d a n tidak b e r g a n t u n g p a d a s u h u d a n t e k a n a n • K o r o s i , • m a s a l a h m e k a n i s
•
•
Kapasitif • Struktur s e d e r h a n a• cocok untuk berbagai macam cairan • biaya s e d a n g • Dielektristas t e r g a n t u n g j e n i s c a i r a n , • p e n g o t o r a n s o n d e , a d h e s i , kristalisasi atau m u a t a n elektrostatis
•
•
PTC • Struktur s e d e r h a n a , k o m p a k d a n sensitif t e r h a d a p s u h u • biaya r e n d a h • d i s p e r s i p r o d u k s i • k e s t a b i l a n y a n g r e n d a h , • p e n g o t o r a n s e n s o r X•
Ultrasonik • Presisi tinggi
• tidak t e r g a n t u n g p a d a luar
• biaya tinggi
• p e n g o t o r a n s o n d e
•
•
K e t e r a n g a n : • cocok X tidak cocokSalah satu sensor y a n g e k o n o m i s untuk s i s t e m p e r i n g a t a n dini a d a l a h s e n s o r kapasitif (capacitive level sensor) seperti diperiihatkan d a l a m g a m b a r 1 . S i s t e m deteksi level s e n s o r secara u m u m d i b a g i 2 kategori yaitu d e t e k s i cairan di kontainer secara kontinyu d a n tidak kontinyu. Level s e n s o r b e r b a s i s p e r u b a h a n kapasitansi mendeteksi p e r u b a h a n ketinggian p e n n u k a a n s e c a r a kontinyu. S e b a g a i
p e r b a n d i n g a n dari b e r b a g a i sistenn d e n g a n k e l e b i h a n serta k e k u r a n g a n diperiihatkan d a l a m tabel 1 [Lazuardi, 2 0 0 2 ] .
Sekalipun m e t o d e kapasitif m e m p u n y a i k e t e r b a t a s a n , sensor kapasitif m e m p u n y a i kelebihan-kelebihan untuk b e r b a g a i aplikasi s e b a g a i c o n t o h , kapasitor tidak m e m p u n y a i kontak m e k a n i s l a n g s u n g , g e s e k a n atau k e s a l a h a n histerisis. Kelebihan lain dari s e n s o r kapasitif a d a l a h stabilitas d a n reproduksibilitasnya y a n g tinggi [ E n d r e s s , 1999]. Hal ini d i s e b a b k a n , kapasitansi C tidak b e r g a n t u n g p a d a konduktivitas listrik dari e l e m e n e l e k t r o d a n y a (pelat). P e r u b a h a n suhu tidak m e m p u n y a i p e n g a r u h y a n g signifikan d a n tidak t e r d a p a t efek p e n u a a n {ageing). D i s a m p i n g itu s e n s o r kapasitif tidak m e n g h a s i l k a n m e d a n listrik atau magnetik y a n g besar jika d i b a n d i n g k a n s e n s o r induktif.
HI.1. M E T O D E P E N G U K U R A N K A P A S I T I F
Prinsip p e n g u k u r a n m e t o d e kapasitif b e r h u b u n g a n d e n g a n p e r u b a h a n ketinggian cairan y a n g m e n g a k i b a t k a n p e r u b a h a n kapasitansi AC suatu s e n s o r kapasitor y a n g d i p e r g u n a k a n s e b a g a i s i s t e m p e n g u k u r a n . P e r u b a h a n kapasitansi dari s e n s o r m e r u p a k a n f u n g s i ketinggian p e r m u k a a n ciran d a n dielektriknya, y a n g d a p a t dinyatakan s e b a g a i berikut [ H e r c e g , 1976]:
AC = f{e,h,)
Secara dasar, dielektrik terdiri dari m e d i u m y a n g diukur d e n g a n permitivitas relatif £r y a n g ditentukan o l e h ratio pennitivitasnya t e r h a d a p pennitivitas v a c u m . So = 8.8542 10"^^ F/m. U n t u k p e n g g u n a a n praktis, di u d a r a d i p e r g u n a k a n nilai
£^ = efe^ = 1 . S u s u n a n kapasitor y a n g d i p e r g u n a k a n untuk p e n g u k u r a n ketinggian biasanya terdiri dari elektroda kapasitif (probe) d a n elektroda counter (dinding silinder p e n g u k u r ) . S e m e n t a r a faktor permitivitas relatif t e r g a n t u n g p a d a k e l e m b a b a n , kosentrasi larutan, k o m p o s i s i kimia d a n fisika dari m e d i u m y a n g diukur serta s u h u d a n densitas bulk dari p a d a t a n . P a d a p e n g u k u r a n kontinyu d i a s u m s i k a n b a h w a permitivitas relatif dari m e d i u m a d a l a h k o n s t a n . Untuk air, nilai dielektrisitasnya adalah £>= 8 1 .
P a d a penelitian ini a k a n d i k e m b a n g k a n s e n s o r kapasitif berbentuk kapasitor silinder y a n g terdiri dari d u a d i n d i n g silinder berisi cairan y a n g a k a n dideteksi, lihat g a m b a r 1. Dinding silinder terluar m e r u p a k a n m a n t e l silinder d a n elektroda p e n g u k u r m e r u p a k a n silinder terdalann. Stray kapasitansi, Cs, sampai ketinggian ho diabaikan.
P e r s a m a a n u m u m untuk kapasitansi kapasitor b e r b e n t u k silinder a d a l a h s e b a g a i berikut [VDI, 2 0 0 3 ] :
ln{Dld) (1)
d i m a n a L a d a l a h panjang silinder, D/d a d a l a h p e r b a n d i n g a n d i a m e t e r silinder terluar d a n silinder d a l a m .
G a m b a r 1. Ketinggian p e r m u k a a n cairan di d a l a m kapasitor silinder
Total kapasitansi, C, y a n g b e r h u b u n g a n d e n g a n ketinggian hx dihitung s e b a g a i j u m l a h dari d u a kapasitansi parsial Ci d a n C2 dari v o l u m e kapasitor terisi m e d i u m
atau kosong berturut-turut, y a n g d i h u b u n g k a n s e c a r a paralel seperti p a d a g a m b a r berikut:
C = C, + C, = - +
ln{Djd) ln{D/d)
ln{D/d) ln{D/d)
sehingga diperoleh kapasitansi s e n s o r kapasitif s e b e s a r
<2)
(3)
C = Co + AC (4)
d e n g a n C„ = —7 - ~ - T d a n AC = f^T^• K
" ln{D/d) ln{D/d)
kapasitansi Co dari kapasitor k o s o n g d a n p e r u b a h a n d a l a m kapasitansi AC y a n g dihasilkan dari ketinggian m e d i u m y a n g diukur, y a n g d i u k u r melalui elektroda kapasitif.
Elektroda p e n g u k u r terbuat dari b a t a n g l o g a m , kabei a t a u pelat dari b a h a n konduktif. Jika m e d i u m y a n g diukur a d a l a h konduktif (konduktivitas melebihi 20ftS/cm) m a k a probe harus diisolasi [ H u a n g et a l , 1988]. Jika t a b u n g p e n g u k u r t e r e n d a m di d a l a m c a i r a n , isolasi dari p r o b e berfungsi s e b a g a i dielektrik y a n g m e n e n t u k a n kapasitansi, m e d i u m konduktif y a n g d i u k u r b e r f u n g s i s e b a g a i e l e k t r o d a -counter.
Deposit kerak p a d a elektroda (probe) s e b a g a i akibat s e b a g a i c o n t o h ; a d h e s i , kristalisasi atau p e m b e n t u k a n m u a t a n elektrostatis y a n g berakibat p a d a hasil p e n g u k u r a n harus d i h i n d a r k a n . D a e r a h d e t e k s i p a d a p r o b e tertutupi oleh deposit kerak y a n g e f e k n y a d a p a t dieliminir m e m p e r g u n a k a n elektroda p e n g k o m p e n s a s i d a n m e m p e r g u n a k a n m e t o d e p e n g o l a h a n sinyal [ J o n e s et a l , 1973].
III.2. P E N G O L A H I S Y A R A T S E N S O R K A P A S I T I F
Berbagai tipe rangkaian d a p a t d i p e r g u n a k a n untuk m e n d e t e k s i p e r u b a h a n kapasitansi sensor p e n g u k u r Co ± C m e n j a d i a r u s , t e g a n g a n atau sinyal f r e k u e n s i . S e b a g a i c o n t o h a d a l a h rangkaian p e n g u k u r r e a k t a n s i kapasitif y a n g m e m e r l u k a n suplai a r u s bolak-balik pengeksitasi d e n g a n f r e k u e n s i tinggi untuk m e n g e l i m i n a s i efek t a h a n a n kapasitor y a n g tidak d i i n g i n k a n y a n g t e r d a p a t p a d a k o n d e n s a t o r [Koplan, 1978]. G a m b a r 2 m e m p e r l i h a t k a n r a n g k a i a n d a s a r untuk m e n g u k u r p e r u b a h a n kapasitansi dari sensor.
G a m b a r 2. R a n g k a i a n d a s a r untuk m e n g u k u r k a p a s i t a n s i p e n d e t e k s i ketinggian cairan.
Frekuensi p e n g u k u r a n b i a s a n y a terletak a n t a r a 2 0 K h z d a n 6 M h z . Frekuensi tinggi lebih d i u t a m a k a n untuk m e m p e r o l e h reaktansi kapasitif y a n g kecil. P a d a sisi
lain, frekuensi y a n g d i p e r g u n a k a n harus dipilih s e d e m i k i a n h i n g g a untuk m e m p e r o l e h p a n j a n g g e l o m b a n g y a n g dihasilkan, X, c u k u p b e s a r j i k a d i b a n d i n g k a n d e n g a n p a n j a n g elektroda (probe) (>. « 4 0 Ls) [Trankler, 1998]. U k u r a n g e o m e t r i dari elektroda p e n g u k u r (probe sensor) untuk m e n d e t e k s i ketinggian p e r m u k a a n air s u n g a i ditentukan oleh faktor k e d a l a m a n , tinggi r e n d a h n y a k e n a i k a n air s u n g a i dihitung dari p e r m u k a a n air surut. Faktor-faktor d i a t a s m e n j a d i variabel d a l a m m e n d e s a i n s e n s o r d a l a m penelitian ini.
Untuk s e n s o r kapasitif nilai kapasitansi relatif kecil m e m e r l u k a n f r e k u e n s i suplai y a n g relatif tinggi untuk m e m p e r o l e h nilai k e l u a r a n y a n g signifikan. K a r e n a i m p e d a n s i s e n s o r sangat tinggi m a k a d i p e r g u n a k a n k a b e l koaxial s e b a g a i p e n g h u b u n g . Hal ini a k a n m e n a m b a h k a p a s i t a n s i paralel t e r h a d a p s e n s o r y a n g m e n y e b a b k a n m e n u r u n n y a sensitivitas d a n linearitas. Solusi dari p e r m a s a l a h a n diatas d e n g a n m e n e m p a t k a n rangkaian p e n g o l a h isyarat s e d e k a t m u n g k i n d e n g a n s e n s o r serta m e m p e r g u n a k a n kabel s e p e n d e k m u n g k i n [ K a n n o et al, 1978].
S e c a r a u m u m diperlukan rangkaian p e n g o l a h isyarat berikut ini untuk m e n g u b a h b e s a r n y a p e r u b a h a n kapasitansi p a d a e l e k t r o d a ( p r o b e ) s e n s o r m e n j a d i sinyal keluaran, y a n g terdiri dari osilator, untuk m e n g h a s i l k a n f r e k u e n s i pengukur, p e n y e a r a h untuk m e n g h a s i l k a n t e g a n g a n s e a r a h y a n g proporsional d e n g a n p e r u b a h a n kapasitansi s e n s o r d a n p e n g u a t , untuk m e m p e r k u a t sinyal keluaran.
P e n g o l a h a n d e n g a n k o m p u t e r d a p a t d i l a k u k a n d e n g a n m e n g u b a h sinyal s e n s o r dari d o m a i n a n a l o g ke d o m a i n digital. Struktur ini terdiri a t a s multiplekser a n a l o g yang d i h u b u n g k a n d e n g a n A n a l o g to Digital C o n v e r t e r ( A D C ) [ H e e r e n s , 1986].
III.3. S T R U K T U R S I S T E M P E N G I R I M A N D A T A S E N S O R
Jika p e n g u k u r a n d a n tampilan data terletak b e r j a u h a n a t a u tidak d a p a t d i a k s e s m a k a diperlukan s u a t u instalasi y a n g m e m u n g k i n k a n u n t u k mentransmcsikan (transmitter, Tx) d a n m e n e r i m a (receiver, Rx) d a t a p e n g u k u r a n . Situasi ini d i m u n g k i n k a n jika stasiun p e m a n t a u ketinggian p e r m u k a a n air s u n g a i terletak p a d a titik y a n g s u s a h d i t e m p u h oleh m a n u s i a . P a d a penelitian ini a k a n d i k e m b a n g k a n sistem telemetri data m e m p e r g u n a k a n sinyal f r e k u e n s i radio. Kelebihan dari sistem ini a d a l a h kapasitasnya y a n g j a u h lebih besar d a r i p a d a m e m p e r g u n a k a n telemetri kawat d a n m e m u n g k i n k a n untuk s e j u m l a h b e s a r s a l u r a n p a d a b a n d y a n g s a m a m e m p e r g u n a k a n multiplexing [Jones et al, 1986].
d i k o m b i n a s i k a n d e n g a n m o d e t r a n s m i s i s e h i n g g a d a p a t diterima oleh m o d u l a t o r p e m a n c a r . Untuk m e n t r a n s m i s i k a n b e r b a g a i data hasil p e n g u k u r a n d a p a t dilakukan d e n g a n m e m p e r g u n a k a n frequency-division multiplexing ( F D M ) d i m a n a tiap sinyal m e m o d u l a s i g e l o m b a n g sub-carrier p a d a f r e k u e n s i y a n g b e r b e d a . Untuk m e m p e r o l e h hal ini, s e b u a h osilator d i b e r i k a n p a d a m a s i n g - m a s i n g s e n s o r d e n g a n alokasi frekuensi y a n g b e r b e d a . Pada p e n e r i m a sinyal p e m b a w a di d e m o d u l a s i d a n tiap-tiap kanal d i p i s a h k a n m e m p e r g u n a k a n filter tertala d a n k e m u d i a n d i d e m o d u l a s i .
G a m b a r 3 Posisi stasiun p e m a n t a u (SP) p a d a d a e r a h aliran s u n g a i d a n stasiun p e n e r i m a p a d a d a e r a h p e m u k i m a n di p e r k o t a a n
S i s t e m s e n s o r d a n r a n g k a i a n t e r s e b u t d i p e r g u n a k a n p a d a stasiun-stasiun p e n g a m a t (SP T x ) y a n g terletak p a d a d a e r a h aliran s u n g a i d a n ditransmisikan melalui g e l o m b a n g radio m e m p e r g u n a k a n t e l e m e t r i , g a m b a r 4 . Data k e m u d i a n ditangkap p a d a stasiun p e n e r i m a (SP Rx) untuk k e m u d i a n diolah untuk m e m b e r i k a n informasi t e n t a n g ketinggian p e r m u k a a n air s u n g a i .
Seperti hasil y a n g telah d i p e r o l e h p a d a t a h a p ke-1 (2006), data hasil pengukuran d a l a m b e n t u k t e g a n g a n harus d i u b a h terlebih d a h u l u m e n j a d i bentuk digital. Jika s e n s o r y a n g diukur lebih dari satu b u a h m a k a d i p e r l u k a n multipleksing m e m p e r g u n a k a n saklar digital. D a t a y a n g t e l a h d a l a m b e n t u k digital k e m u d i a n dicampur d e n g a n sinyal p e m b a w a (carrier) d e n g a n f r e k u e n s i tertentu. P a d a penelitian t a h a p ke-2 ini d i r e n c a n a k a n a k a n m e m p e r g u n a k a n f r e k u e n s i carrier sebesar 4 3 3 M H z a t a u d e n g a n p a n j a n g g e l o m b a n g F M 7 0 c m , d a n d i p a n c a r k a n m e m p e r g u n a k a n antena satu a r a h Y a g i .
p e n g a m a t a n . Pada stasiun p e n e r i m a , data k e m u d i a n ditangkap oleh a n t e n a , k e m u d i a n dilakukan p r o s e s d e m o d u l a s i untuk m e m i s a h k a n antara g e l o m b a n g p e m b a w a (carrier) d a n g e l o m b a n g sinyal ukur dari sensor. Setelah difilter d a n diperkuat, sinyal hasil p e n g u k u r a n y a n g d i t a n g k a p p a d a stasiun p e n e r i m a d a p a t diolah lebih lanjut untuk d i t a m p i l k a n serta jika telah m e l e w a t i a m b a n g tertentu m a k a alarm akustik a k a n b e r b u n y i .
Sinyal Data
Multiplekser Analog to Sensor Multiplekser Digital Conv.
Pemancar Mix Sinyal Register Pemancar
Sensor+Carrier Memory
Penerima
•
Demodulasi•
DisplayGambar 4. Diagram alir sistem pengiriman data m e m p e r g u n a k a n s i s t e m telemetri
D e n g a n sistem telemetri ini m a k a kondisi g e o g r a f i s D A S Siak di propinsi Riau yang sulit d i t e m p u h d e n g a n k e n d a r a a n b e r m o t o r d a p a t dieliminir. Aplikasi ini tidak terbatas pada D A S Siak, tetapi j u g a d a p a t d i t e r a p k a n p a d a D A S lainnya.
