Pengujian Karakter Sensor Kadar Air Tanah dengan Prinsip

1.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air yang terkandung di dalam tanah
merupakan komponen tanah yang sangat
penting
untuk
perhmbuhan
dm
perkembangan tanaman baik sebagai pelarut
hara ataupun untuk pergerakan larutan hara
dalam tanah. Untuk itu, informasi mengenai
ketersediaan air untuk bidang pertanian
sangat penting demi keberhasilan usaba tani.
Informasi kadar air tanah diperlukan mulai
dari perencanaan, praktek irigasi maupun
pengendalian mum hasil panen memalui
rekayasa fisologis.
Pengukuran kadar air tanah (KAT)
belum
menjadi
kebiasaan
dalam
menjalankan praktek pertanian. Kendala
m u m yang dihadapi dalam monitoring
KAT adalah ketersediaan alat ukur karena
factor harga (ex. Impor). Untuk mengatasi
masalah ini, maka perlu dikembangkan alat
untuk memonitor kadar air tanah ekonomis
tapi cukup akurat
Ada dua metode utama yang digunakan
dalam pengukuran KAT, yaitu metode
penetapan KAT secara langsung (metode
gravimetri) dan tidak langsung. Beberapa
metode yang digunakan untuk pengukuran
KAT secara tidak langsung, antam lain heat
pulse probe (HPP) atau penghamburan
bahang (heat drssipation),, Neutron Probe,
Time Domain Reflectronie (TDR),
Velociry Dr@eretntiation Domarn (VDD).
Metode pengukuran KAT s e c m
langsung ataupun tidak langsung memiliki
kelebihan dan kekurangan masing-masing.
Metode gmvimetri memiliki tingkat
keakuratan yang tinggi. Kelemahan dari
metode ini adalah memerlukan biaya yang
tinggi, efisiensi waktu yang rendah.
Salah satu metode pengukumn KAT
tidak langsung yang cukup akurat adalah
mengynakan pendekatan penghamburan
panas tanah.
Pada umumnya sensor
pengukuran KAT yang diiembangkan
bersifat semi permanen. Pada penelitian
yang dilakukan oleh Rohayati (2001)), sensor
yang diiembangkan bersifat permanen.
Karena pertimbangan efisiensi pengukuran
maka perlu dibuat sensor KAT dengan
mengynakan metode penghamburan panas
tanah yang portable. Sensor ini dibuat agar
bisa melakukan pengukuran di banyak titik
dalam waktu yang singkat d m praktis.
Metode ini bisa menggambarkan sifat
termal tanah pada berbagai kondisi tanah
baik pada tanah dalam keadaan jenuh
(kapasitas lapang) maupun dalam kondisi
l a p pennanenkering (Hopmans, et al.,
2002).
1.2 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah
a. untuk mengembangkan sensor portable
dengan prinsip pengl~amburanpanas.
b. membandingkan dua parameter u l w
KAT (pen~hahantemperatur dan w a h
pengamatan telnperatur).
U. TINJAUAN P U S T A U
2.1 Metode Penghambum Panas Tanah
Metode tidak langsung yang digunakan
untik mengukur kadar air tanah adalah
metode penghamburan panas tanah. Sensor
vana digunakan tlalam tnetode ini adalah
.
-
Gambar 1. Sensor heat dissioafion CS229
(Campbell Scientifc,Inc)
Sensor yang digunakan dalam metode
ini terdiri dari elemen pemanas dan sensor
termokopel yang bcrada disekeliling
keramik berpori. Prinsip dasar metode ini
adalah perubahan suhu tmab sebelum dan
seelah diberi dosis panas yang sama. Pada
tanah basah perubahan suhu yang terjadi
lebih rendah (lambat) dibandin&an dengan
tanah kering (htim:l/sowacs.co~n).
CS229 yang dikembangkan oleh
Cantpbel Scientific n~enggunakan arus
konstan sebesar 50 mA dan pemanas dengan
hambatan sebesar 34 a.Data yang tercatat
ini terekam ke dalam da@ logger. Kalibrasi
alat ini dilakukan pada dua kondisi tanah
yang ekstrim, yaitu pada kondisi kering dan
kondisi kapasitas lapang (Flint, et a1.,2002).
2.2 Sifat Termal Tanah
Suhu tanah mempakan faktor utama
yang mempengaruhi proses kimia, fisika,
biologi tanah dan perhnnbuhan tanaman
(Jluy dan Horton, 2004). Sifat termal tanah
yang berperan dalam proses penghamburan
panas tanah
terdiri dari konduktivitas
termal, kapasitas panas volumehik,
difusivitas termal dan juga kapasitas panas.
a. Konduktivitas termal (KT) mempakan
banyaknya panas yang mengalir pada
waktu tertentu dalam bubungannya
dengan gradien temperator. Nilai KT
dipengaruhi oleh fase padat, cair dan
gas medium tanah.
b. Kapasitas termal 1 Heat Capacity (Cp)
mempakan jumlah
panas yang
diperlukan untuk menaikkan suhu satu
gram bahan sebesar satu derajat (" C ).
Kapasitas panas diiyatakan dengan J grgi
deg*'.
c. Kapasitas panas volumetrik (C,)
mempakan jumlah
panas yang
diperlukan untuk rnenaikkan temperatur
1
sebesar 1 K. Kapasitas ~an!s
volumetrik dimyatakan dalam J m K
'
'.
Hubungan kapasit~ipanas volumetrik
dan kapasitas panas &pat dimyatakan
dengan persanlaan :
[ .6% ; > = L C
............................... (I)
Keterangan :
C,: kapasitas termal (J gi' deg-')
p :kerapatan (kg m.3 atau gr
c, : kapasitas termal volumetrik (J m-3
KJ).
d. DiEusivitas termal (a) m e m p a h
perbandingan antara konduktivitas
termal dan kapasitas termal volumetrik.
Dalam peilelitian hi, pengukuran KAT
dilakukan dengan pendekatan
sifat
penghamburan panas tanah. Prinsip dasar
dari
metode ini adaial~ perbedaan
temperatur tanah sebelm dan setelah diberi
kalor yang telah ditentukan besamya. Pada
tanah basah, pembahan temperatur tanah
setelah diberikan kdor lebih kecil
dibandiigkan dengan tanah yang kering.
Perbedaan ternperatur ini disebabkan oleh
perbedaan kapasitas pan= tanah.
Sifat termal berbagai jenis tanah dapat diliat pada tabel berikut :
(Sumber : Rosenberg, 1974)
-
Berikut ini adalah sifat termal tanah oada kondisi kaoasitas laoane dan law
- uetmanen.
.
Tabel 2. Sifat termal tanah pada dua'tingkat lteleng&n tanah'
Jenis bahan
Konduktivitas termal Difusivitas
Cal cm-' degl sec-'
cm2sec
Pasir
I
I
kering
2.23
basah
8.0
/
1
Liat
kerine
bas&
(Sumber : La1 clan Manoj 2004)
-'
1
1
1.5
5.97
1
0.26
2.69
1
2.3 Kadar Air Tanah
Kadar air tanah mempakan besamya air
yang bisa dievapomi dari tanah yang
dipanaskan pada suhu 105'C (La1 dan
Manoj, 2004). Tertahannya air di dalam
tanah disebabkan oleh proses adhesi antara
air dan tanah ataupun kohesi antara molekul
air itu sendiii.
Xi yang terdapat dalam tanah dapat
digolongkan menjadi air gravitasi, air
kapiler dan air higroskopik.
Karena
pengaruh dari gaya yang ini, maka air tanali
dapat dibedakan menjadi kapasitas lapang,
titik layu permanen dan air tersedia. Kadar
air kapasitas lapang adalah jumlah air yang
ditahan dalam pori-pori tanah dan tidak
terpengaruh lagi oleh gaya gavitasi
(Haridjaja, 1980). Kadar air pada titik layu
permanen mempakan kandungan air yang
dijemp (diikat) kuat oleh gaya mahik tanah
sehingga tidak dapat diserap oleh akar
tanaman. Menurut Hillel (1980) kadar air
tersedia adalah jumlah air yang bemda pada
pori tanah karena potensial matriks tanah
setelah potensial gravitasi tidak bekej a lagi
pada air dalam pori tanah tersebut dan air
tanah masib dapat diserap oleh tanaman.
Air tenedia juga dapat diartikan sebagai
selisih antam kadar air pada kapasitas
lapang dan titik layu pemanen. Selain
dipengamhi oleh gaya ikatan mahiks,
osmosis dan kapiler, kadar air tanah jugs
dipengamhi oleh pori tanah. Ukuran pori
tanah
mengatur
penyirnpanan
air,
menyediakan udara dan mang untuk
pertumbuhan tanaman.
2.3.1 Penetapan kadar air tanah dapat
dinyatakan dengan cara :
a. Gravimetric soil moisture content (w) :
merupakan perbandingan antara massa
air (M,) terhadap massa padatan (M*)
dan dmyatakan dalam persen (%).
:.h,
1%"=
= ?f,> .................
;I:
:i*::-.-rc
(2)
Keterangan :
- -
w
M,
: kadar air tanah gavimenik (%)
: massa air
M, : massa tanah (pndatm)
Mi, :massa inorganik
M, : massa organik
b. Volumetric roil moisture content (8) :
merupakan perbandingan antara volume
air yang tcrkandung di dalam tanah
ierhadap volunle padatnnya. Kadar air
volumehik ini juga dinyatakan dalam
persen (%).
Keterangan :
8 : kadar air tanah volumemk (%)
V, : volunte air
V, : volume total tanah
V, : volume padatan
VI : volume porosibs
V, :volume liquid
c. Liquid ratio ..
(8,)
I t
8, = ..................(4)
.: = -*.: -,;
Keterangan :
8, : liquid ratio
V, :volume air
V, :volume tanah @adatan)
Vi, : volume inorganic
d. Degree of saturation (s) : mewpakin
perbandingan antara pori yang berisi air
ierhadap porositas total, dan dimyatakan
dalam persen (%).
7.
s = - => i-/ .
,.
.*
t.
>I<
:!-':;,
. -
.......................(5)
Kererangan :
s
:Degree of saturation
V, :volume air
Vf : volume porositas
V, :volume liquid
V, : volume padatan
2.4 Tsnah yang dignnakau untuk
pengujian desain sensor
Dalam bidang pertanian, tanah diartikan
sebagai media tumbuhnya tanaman darat.
Tanah berasal dari pelapukan batuan yang
bercmpur dengan bahan-bahan oganik dan
organisme (vegetasi hewan) yang hidup
diatas atau di dalamnya (Hardjowigeno,
2003).
Salah satu sifat fisik tanah yang menjadi
pertimbangan untuk pemilihan jenis tanah
dalam pengujian sensor ini adalah tekstur
tanah. Tekstur tanah merupakan keadaan
tingkat kehalusan tanah yang tejadi karena
terdapatnya perbedaan komposisi kandnngan
fraksi pasir, debu dan liat yang terkandung
pada tnnah. dari ketiga jenis M s i tersebut
partikel pasir mempunyai ukuran diameter
0.05 mm, debu
paling besar yaitu 2
dengan &wan 0.05 - 0.002 mm dan liat
dengan ukuran < 0.002 mm. Keadaan
tekstur tanah sangat berpengaruh terhadap
keadaan sifat-sifat tanah seperti struktur
tanah, pemeabilitas tanah, porositas.
Berdasarkan perbandingan banyaknya
butir-butir pasir, debu dan liat maka tanah
dapat dikelompokkan menjadi beberapa lima
kelas tekstur :
a. Kasar
: pasir, pasir berlempung
b. Agak kasar :
lempung
berpasir,
lempung berpasir halus
c. Sedang
: lempung,
lempung
berdebu, debu
d. Agak halus : lempung liat, lempung
lit berpasir, lempung liat berdebu
e. Halus
: liat berpasir, liat berdebu,
liat
Kelas tekstur ini dapat digambarkan dalam
Berdasarkan sifat tekstur di atas, maka
diynakan pasir dan liat serta tanah organik
dalam pengujian desain censor.
3.1 Waktu dau Ternpal
Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan
Maret 2008 bertempat di Workshop
Instrumentasi Meteorologi, Institut Pertanian
Bogor.
3.2 Bahan dan Alat
Bahan yang digunalczu~untuk membnat
sensor pengukur kadar air tanab yaitu :
a. kawat vernanas
-
.
.
I
Gambar 3. Kawat pemanas (diameter : 0.1
mm, resistarlce : 157Wrneter)
b.
c.
d.
Sensor suhu temukopel (konstantan
dan tembaga)
isolator (heat shrink tube)
kabel
Bahan yang digwakan nntuk pengamatan :
a. media tanah (liat, pasir dan tanah
o r m i k ) dengan mu% sekitar 150
3: Slty clay loam
40
Y%50
4: randy clay
5: randy clay loa
6: clay loom
7: Slt
8: 411 loam
9: loam
1D:and
11: loamy s n a
12:andvloam
Gambar 2. Diagram tekstur tanah
I
Alat yang digwiakan dalam penelitian ini
adalah
a. sumber arus listrik konstan
b. penguat sinyal
i
I