Rancangan Sistem Akuisisi Data Suhu dengan Pt

Rancangan Sistem Akuisisi Data Suhu dengan Pt-100 terhadap Fungsi
Kedalaman Sumur Pengeboran Berbasis Mikrokontroler H8/3069F
Nella Marwah, Supriyanto, Lingga Hermanto
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Abstrak
Rancangan sistem akuisisi data suhu terhadap fungsi kedalaman sumur pengeboran dibuat
untuk mengurangi biaya produksi eksplorasi pada sumur pengeboran terutama sumur
pengeboran panasbumi. Sistem ini dapat membaca suhu terhadap variasi kedalaman sensor
suhu secara real-time. Sistem ini terdiri dari sensor suhu Pt-100, sensor kedalaman rotary
encoder dan pewaktu real-time DS1307. Sistem ini dioperasikan oleh mikrokontroler
H8/3069F yang memiliki resolusi 16 bit menggunakan bahasa pemrograman C, data
dikirimkan ke komputer melalui kabel serial RS-232 dan ditampilkan dalam bentuk
Graphical User Interface (GUI) yang dihasilkan oleh bahasa pemrograman Python, data ini
disimpan dalam bentuk file dokumen. Sensitivitas dari sistem pengukur suhu dengan Pt-100
adalah sebesar 0.042 V/°C.
Kata kunci : data suhu, kedalaman sumur pengeboran, sensor Pt-100, rotary encoder,
pewaktu real-time, mikrokontroler H8/3069F, GUI, Bahasa C, Python
Abstract
Temperature acquisition system design along the borehole’s depth have been done in order
to minimalize exploration production cost in borehole especially for geothermal exploration.
The system can acquire temperature data versus depth variation in real-time. The system
consists of Pt-100 as temperature sensor, rotary encoder as depth sensor and Real-Time
Clock DS1307. The system is operated by 16-bit microcontroller H8/3069F using C
Languange, temperatureand borehole’s depth data are displayed using a Python Graphical
User Interface (GUI) and stored in document file. Sensititvity of Pt-100 sensor together with
signal conditioning circuit is 0.042 V/°C.
Keywords: temperature data, borehole’s depth, Pt-100 sensor, rotary encoder, Real-time
clock, microcontroller H8/3069F, GUI, C language, Python
I. PENDAHULUAN
Panasbumi merupakan salah satu subdsiplin dari geofisika yang mempelajari tentang
aliran panasbumi. Para peneliti teknologi pembangkit tenaga listrik uap dan pembangkit listrik
tenaga panasbumi menjadikan ilmu panasbumi ini untuk mendapatkan pengetahuan mengenai
suhu di bawah permukaan bumi yang menjadi dasar untuk memahami aliran panas didalam
bumi. Aliran panas pada suatu lubang bor didapatkan dari sekumpulan kombinasi dari data
suhu pada kedalaman tertentu dan konduktivitas termalnya[1].
Pada dasarnya, pengukuran aliran panas bumi dapat dihasilkan dari gradien suhu dan
konduktivitas termal yang berasal dari sifat fisis bebatuan dan fluida di sekitarnya[1]. Gradien
1
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
2
suhu panasbumi merupakan sebuah nilai yang menunjukkan kenaikan suhu seiring dengan
bertambahnya kedalaman bumi. Berikut persamaan dasar aliran panas per satuan waktu:
! = !"
!! !!!
!! !!!
(1)
dimana Q merupakan aliran panas per satuan waktu (W), k merupakan konduktivitas termal
(W/m°C), A merupakan luas area panas (m2) , l1 merupakan panjang daerah panas awal (m),
dan l2 merupakan panajang daerah panas akhir (m), T1 merupakan suhu awal (°C) dan T2
merupakan suhu akhir (°C).
Pada daerah yang bukan merupakan area panasbumi, konduktivitas normal gradien
suhu sekitar 3°C/100 m[2]. Sementara pada daerah yang memiliki potensi panasbumi, gradien
suhu beberapa kali lebih besar dibandingkan daerah lainnya.
Sistem akuisisi data suhu terhadap kedalaman lubang sumur sangat dibutuhkan dalam
proses eksplorasi sumur pengeboran terutama pengeboran panasbumi. Pembuatan sistem
akuisisi data suhu pada sumur pengeboran panasbumi disebabkan panasbumi membutuhkan
informasi aliran panas pada suatu area prospek panasbumi dimana data suhu terhadap
kedalaman merupakan data yang dapat membangun informasi aliran panas pada daerah
tersebut.
Umumnya sistem akuisisi ini sangatlah mahal dan alatnya sulit untuk didapatkan di
dalam negeri. Untuk meminimalisasi biaya pengadaan alat dan sistem akuisisi data suhu
diperlukan sistem akuisisi data suhu terhadap kedalaman sumur pegeboran dari dalam negeri.
Pada penelitian ini telah dirancang sebuah sistem akuisisi data suhu dengan sensor pt100 terhadap fungsi kedalaman sumur pengeboran yang dapat mengakuisisi data suhu
bersamaan dengan data kedalaman secara real-time berbasis mikrokontroler H8/3069F 16 bit.
Data hasil akuisisi tersebut dapat dipantau oleh pengguna dan disimpan dalam bentuk file
dokumen. Proses pemantauan dan penyimpanan data dapat diaktifkan melalui Graphical User
Interface (GUI) dengan menggunakan bahasa pemrograman Python yang merupakan jenis
bahasa pemrogramman open-source.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
3
II. METODA PERANCANGAN ALAT
Sistem akuisisi data suhu terhadap kedalaman sumur pengeboran terdiri dari sensor
suhu berupa pt-100, sensor kedalaman yaitu rotary encoder dan pewaktu real-time RTC
DS1307 yang menyajikan data tanggal dan waktu. Sistem ini dikontrol dan dikendalikan
dengan sebuah mikrokontroler H8/3069F buatan Renesas Corp,. Jepang[3]. Data suhu,dan
kedalaman serta data waktu dan tanggal dikirim secara bersamaan melalui kabel serial RS-232
ke komputer. Akuisisi data diaktifkan dan disimpan datanya melalui GUI python yang telah
diprogram di komputer. Gambar 1. memperlihatkan blok diagram perangkat keras pada sistem
akuisisi melalui pemrogramman data suhu terhadap kedalaman sumur pengeboran secara realtime.
Gambar 1. Blok diagram sistem perangkat keras
Sensor pt-100 yang digunakan pada sistem akuisisi ini merupakan salah satu jenis
sensor RTD dengan bahan logam platina sebagai material pendeteksinya. Material ini
memiliki resistansi yang berubah seiring dengan adanya perubahan suhu yang mengenai
material sensor tersebut. Jika suhu naik, maka resistansinya mengalami kenaikan begitu pula
sebaliknya. Hasil kalibrasi sensor pt-100 menunjukkan sensitivitas sensor pt-100 terhadap
perubahan suhu adalah sebesar 0.39 Ω/°C.
Sensor pt-100 membutuhkan tegangan stimulasi eksternal agar keluarannya dapat
berbentuk tegangan. Oleh karena itu, sensor pt-100 dihubungkan dengan rangkaian jembatan
Wheatstone dengan empat lengan resistansi. Sensor pt-100 sebagai salah satu lengan resistansi
dan tiga lengan resistansi merupakan resistansi tetap. Nilai resistansi tetap bagi ketiga lengan
resistansi ditentukan sedemikian rupa sehingga keluaran dari jembatan Wheatstone ini
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
4
memiliki sensitivitas sebesar ±2 mV/°C. Proses kalibrasi sensor pt-100 beserta rangkaian
jembatan Wheatstone dilakukan dengan merubah suhu yang mengenai sensor (pembacaan
suhu dengan menggunakan termometer alkohol) dan mengukur nilai tegangan keluaran dari
jembatan Wheatsone (pada gambar 2. ditunjukkan dengan lambang Vout).
Gambar 2. Rangkaian jembatan Wheatstone yang digunakan
Data suhu didapatkan dari sinyal analog sensor pt-100 beserta rangkaian jembatan
Wheatstone yang diterima oleh mikrokontroler kemudian dikonversi ke dalam bentuk sinyal
dengan menggunakan salah satu pin ADC pada mikrokontroler H8/3069F. Agar sinyal analog
dapat dibaca dengan baik oleh ADC mikrokontroler yang memilki resolusi 10 bit maka sinyal
keluaran dari jembatan Wheatstone memerlukan penguatan. Penguatan ini dilakukan dengan
menghubungkan sinyal keluaran dari jembatan Wheatstone A dan B ke sebuah rangkaian
penguat diferensial.
Rangkaian penguat diferensial yang digunakan pada penelitian ini
terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian penguat diferensial
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
5
Rotary encoder berfungsi sebagai pendeteksi kedalaman dengan memanipulasi gerak
translassi sensor suhu menjadi gerak angular dari rotary encoder sehingga menjadi informasi
kedalaman. Sensor ini memiliki dua output, setiap outputnya memiliki dua kondisi bergantian
yakni 1 (10 V) dan 0 (0V). Keluaran dari sensor ini kemudian melewati rangkaian TTL
Converter sehingga keluaran sensor pada saat HIGH (1) dan LOW (0) memiliki tegangan 5 V
dan 0 V yang dapat diterima oleh mikrokontroler. Gambar 4. menunjukkan rangkaian TTL
Converter yang digunakan pada penelitian ini.
Gambar 4. Rangkaian TTL Converter
Keluaran pertama digunakan untuk port I/O (dalam penelitian ini digunakan PORT
I/O 1 (pin 1) sebagai pendeteksi kedalaman sensor pt-100 dan keluaran kedua dihubungkan ke
port interrupt (IRQ0) untuk menginterupsi proses perhitungan putaran. Data rotary encoder
diterima mikrokontroler dalam bentuk data counter. Data counter bertambah dan berkurang
dipengaruhi oleh penginterupsi yang terjadi jika PORT 1 pin 1 memiliki kondisi 1 atau 0.
Gambar 5. memperlihatkan keseluruhan pengoperasian rotary encoder.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
6
Gambar 5. Blok diagram pengoperasian rotary encoder
Pada penelitian ini, dilakukan pula pembuatan sistem mekanik sistem pengukur
kedalaman yang bertujuan untuk menjalankan fungsi sensor kedalaman untuk mengetahui
sejauh mana sensor suhu turun ke dalam sumur. Sensor pt-100 yang telah dihubungkan
dengan kabel sepanjang 100 m didesain untuk melewati sebuah tiang penyangga yang
ditengahnya terdapat semacam katrol tempat lewatnya kabel sensor suhu. Katrol ini dipasang
satu sumbu dengan sebuah batang yang melintang pada masing-masing ujung tiang pada
penyangga ini. Kemudian di salah satu ujung batang yang melintang terdapat rotary encoder
sehingga ketika kabel sensor suhu bergerak melewati katrol maka batang akan ikut bergerak
yang menyebabkan rotary encoder juga ikut bergerak. Gambar 6. menunjukkan mekanik
sistem pengukur kedalaman yang akan dilewatkan sensor suhu ketika sensor suhu diturunkan
ke dalam sumur.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
7
Gambar 6. Mekanik sistem pengukur kedalaman
Kemudian setelah mekanik sistem pengukur kedalaman selesai dibuat, maka dilakukan
proses kalibrasi sensor rotary encoder, untuk mengetahui respon rotary encoder terhadap
perubahan kedalaman dengan meletakkan kabel sensor suhu pada mekanik tiang penyangga
dan menurunkannya tiap 0.5 m dan dilihat data counter yang terbaca pada komputer. Data
penurunan kabel setiap 0.5 m dicatat bersamaan dengan data counter di setiap penurunannya.
Data counter dan data ADC dikirimkan secara terus menerus oleh mikrokontroler
secara bersamaan
dengan data waktu dan tanggal yang dihasilkan RTC DS1307 dari
mikrokontroler kepada komputer melalui komunikasi serial dengan menggunakan kabel serial
RS-232 dan proses pengambilan data dan pengiriman data ke serial pada mikrokontroler
H8/3069F menggunakan bahasa pemrograman C. Gambar 7. menunjukkan alir program
interupsi dan gambar 8. menunjukan diagram alir pemrograman utama yang digunakan pada
penelitian ini.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
8
Gambar 7. Diagram alir program interupsi
Gambar 8. Diagram alir program utama
Proses pengolahan data counter menjadi data kedalaman dan data digital ADC
menjadi data suhu dilakukan di GUI dengan bahasa pemrograman Python dengan
menggunakan fungsi persamaan hasil kalibrasi dari masing-masing sensor. Selain itu,
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
9
pengguna juga dapat membaca data hasil pengolahan data berupa nilai suhu dan kedalaman
serta grafik suhu terhadap kedalaman pada GUI tersebut Data sebelum dan sesudah
pengolahan serta tanggal dan waktu setiap data akan tersimpan di dalam file dokumen.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Rangkaian pengondisi sinyal dari keluaran sensor suhu pt-100 digunakan pada penelitian ini
sebagai pengubah sinyal keluaran sensor pt-100 sebagai resistansi menjadi tegangan dan dapat
dibaca dengan baik doleh ADC mikrokontroler. Rangkaian pengondisi sinyal terdiri dari dua
rangkaian yakni rangkaian jembatan Wheatstone dan rangkaian penguat diferensial.
Rangkaian jembatan Wheatstone terlihat pada gambar 2. Dengan menggunakan rangkaian ini,
dilakukan kalibrasi antara tegangan diferensial pada titik A dan B (lihat gambar 2) dan suhu
yang terbaca pada termometer alkohol. Grafik pada gambar 9. menunjukkan hasil kalibrasi
tersebut. Grafik ini menunjukkan respon linier antara tegangan terhadap suhu yang mengenai
sensor pt-100 dan sensitivitasnya terhadap perubahan suhu dengan mengacu pada suhu yang
terbaca pada termometer alkohol. Sensitivitas sensor suhu Pt-100 beserta rangkaian jembatan
Wheatstone adalah sebsar 2.43 mV/°C.
R = Resistansi (Ω)
Hasil Kalibrasi Pt-100 terhadap Perubahan Suhu
145.0
140.0
135.0
130.0
125.0
120.0
115.0
110.0
105.0
100.0
R= 0.391T + 100.2
R² = 0.99
0
20
40
60
80
100
T = Suhu (°C)
Gambar 9. Grafik kalibrasi pt-100 berupa resistansi terhadap perubahan suhu
Sensitivitas dari rangkaian jembatan Wheatstone kemudian diperkuat dengan
menggunakan rangkaian penguat diferensial yang terlihat pada gambar 3. Titik A dan B pada
gambar 2. akan terhubung dengan titik A dan B pada gambar 3. secara berturut-turut sebagai
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
10
masukan Non inverting dan Inverting. Sensor suhu pt-100 beserta pengondisi sinyalnya
memilki sensitivitas sebesar 42.3 mV/°C atau sebesar 0.042 V/°C.
ADC mikrokontroler H8/3069F memiliki resolusi 10 bit, dengan tegangan referensi
sebesar 5 V, ADC ini mampu menyediakan sensitivitas sebesar 0.005 V setiap bit digital
ADC. Dengan demikian, sinyal analog yang berasal dari sensor suhu beserta rangkaian
pengondisi sinyal telah cukup baik untuk dikonversi ke bentuk digital dengan menggunakan
ADC pada mikrokontroler H8/3069F.
Sama halnya dengan sensor pt-100, proses kalibrasi dilakukan untuk mengetahui
respon dari sensor rotary encoder beserta mekanik sistem pengukur kedalaman terhadap
perubahan kedalaman kabel sensor suhu Pt-100. Dengan metode yang telah dijelaskan pada
bagian sebelumnya, didapatkan hasil kalibrasi antara kedalaman pemantauan kabel sensor
suhu dengan interval 0.5 m dengan pulsa counter yang terbaca di komputer yang diperlihatkan
pada gambar 10. Koefisien relasi antara kedalaman pemantauan dan pulsa counter yang
terbaca adalah sebesar 0.99. Nilai ini memperlihatkan bahwa respon sensor rotary encoder
yang sangat linier terhadap perubahan kedalaman sehingga dapat dikatakan sensor rotary
encoder dapat membaca kedalaman dengan sangat baik.
c= Pulsa Cacahan x 101
Kalibrasi Pulsa Rotary Encoder terhadap Kedalaman
800
700
600
500
400
c = 5573.h + 78.90
R² = 0.99
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
14
h = Kedalaman (m)
Gambar 10. Grafik kalibrasi rotary encoder berupa pulsa cacahan terhadap kedalaman pemantauan
Data digital ADC dan data counter masing-masing merepresentasikan data suhu dan
data kedalaman. Dengan menggunakan persaman hasil kalibrasi dari sensor suhu pt-100 dan
sensor rotary encoder dilakukan pengolahan data pada data digital ADC dan data counter
dengan menggunakan bahasa pemrograman Python dan ditampilkan pada GUI berupa data
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
11
suhu, data kedalaman, dan repersentasi kedua data dalam bentuk grafik plot dengan sumbu X
adalah data kedalaman dan sumbu Y adalah data suhu. Karena sistem akuisisi data
memerlukan sistem real-time, maka data tanggal dan waktu yang dihasilkan oleh RTC
DS1307 diambil bersamaan data digital ADC dan data counter. Data tanggal, waktu, digital
ADC, counter, suhu dan kedalaman kemudian disimpan dalam file dokumen setiap kali proses
penyimpan dilakukan. Pada gambar 11. diperlihatkan tampilan GUI pada proses pengukuran
Gambar 11. Tampilan GUI pada saat proses pengukuran
.
GUI terdiri dari titlebar, toolbar, panel 1 dan panel 2 dan statusbar. Titlebar berada
dibagian paling atas pada GUI sedangkan status bar berada di bagian paling bawah pada GUI.
Bagian toolbar berisi choice box untuk memilih jenis port dan baudrate, tombol connect dan
disconnect untuk mengoneksikan atau memutuskan hubungan antara komputer dengan
mikrokontroler, tombol clear untuk menghapus data dan tombol simpan data. Pada panel 1
terdapat kolom yang menyediakan nilai suhu, kedalaman dan status koneksi secara berturutturut dari atas hingga bawah. Sedangkan pada panel 2 terdapat grafik dan tabel yang berisi
data tanggal, waktu, counter, ADC, kedalaman, dan suhu.
GUI dapat mengakuisisi data dengan sampling time (waktu cuplik) per satu baris data
setiap 1 detik. Memori yang dibutuhkan hanya sedikit berupa kisaran puluhan kB. Memori ini
hanya memenuhi sebagian kecil kapasitas memori yang ada di komputer mengingat akuisisi
data dilakukan dengan menggunakan PC (personal computer).
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
12
Pada gambar 11. dapat dilihat adanya kenaikan suhu seiring dengan kenaikan nilai
kedalaman, gambar tersebut merupakan hasil akuisisi data terhadap kedalaman sumur pada
saat simulasi pengukuran pada sumur.
Sumur simulasi dibuat dengan menaikkan nilai suhu dengan menaikkan nilai
kedalaman secara bersamaan. Sumur simulasi ini bertujuan untuk memperlihatkan bahwa
sistem akuisis data telah dapat mengambil data suhu, data kedalaman, beserta data tanggal dan
waktu secara bersamaan pada waktu yang sama.
Untuk mengetahui keseluruhan rancangan sistem pengukur kedalaman yang telah
terintergrasi dengan GUI pada komputer berjalan dengan baik dan memiliki kesalahan relatif
terhadap nilai yang benar yang kecil, dilakukan pengujian nilai kedalaman penurunan sensor
suhu yang terbaca pada GUI dengan kedalaman sebenarnya yang dipantau oleh penulis.
Kedalaman sebenarnya didapatkan dari besarnya penurunan kabel yang tertera pada
label pada kabel yang menyatakan ukuran panjang pada kabel sensor suhu setiap setengah
meter. Kesalahan didapatkan dari nilai perbedaan antara kedalaman pada pemantauan dengan
kedalaman yang terbaca pada GUI, kemudian dihitung besarnya kesalahan relatif dari nilai
kesalahan pada tiap data suhu yang terbaca pada GUI terhadap nilai kedalaman pemantuan.
Pengujian data kedalaman yang terbaca pada GUI dan data
kedalaman berdasarkan pemantauan
Kedalaman (m)
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
Kedalaman pemantauan
2.0
Kedalaman pada GUI
0.0
1
3
5
7
9
11
13
Data ke- (n)
Gambar 12. Hasil pengujian data kedalaman yang terbaca pada GUI dan data kedalaman berdasarkan
pemantauan
Pada gambar 12. terlihat kesalahan data kedalaman yang tampil pada GUI dan
kedalaman pada pemantauan . Sumbu X merupakan nomor data
kedalaman setiap
pengukuran yang ditentukan dan sumbu Y merupakan data kedalaman. Data dengan titik biru
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
13
merupakan data kedalaman pemantauan, sedangkaan data dengan titik merah memperlihatkan
data kedalaman yang terbaca pada GUI.
Pada pengujian ini kesalahan relatif pada pengukuran kedalaman dari 0-13 m sebesar
0%, artinya kesalahan data kedalaman yang dihasilkan sistem dan ditampilkan tidak terlihat.
Kemungkinan kesalahan data relatif akan dihasilkan jika kabel sensor semakin turun jauh
melebihi kedalaman pada pengujian ini. Hal ini disebabkan adanya gaya gravitasi yang
semakin besar jika sensor suhu semakin turun ke bawah.
Sama halnya dengan pengujian kedalaman, untuk mengetahui keseluruhan rancangan sistem
pengukur suhu yang telah terintegrasi dengan GUI komputer berjalan dengan baik dan
memiliki kesalahan relatif terhadap nilai benar yang kecil dilakukan pengujian nilai suhu yang
terbaca di GUI dengan suhu pada termometer alkohol. Proses yang dilakukan sama halnya
dengan proses kalibrasi, yakni dengan mencelupkan pt-100 ke dalam pyrex berisi air dan
dipanaskan di atas kompor listrik, besarnya panas diatur perlahan. Tepat di samping sensor pt100 diletakkan termometer alkohol agar termometer alkohol dan sensor pt-100 memiliki suhu
lingkungan sekitar yang sama. Kemudian data suhu yang terbaca pada GUI dan termometer
alkohol dicatat bersamaan. Nilai kesalahan didapatkan dari selisih nilai suhu yang terbaca
pada GUI dan suhu ang terbaca pada termometer alkohol, sedangkan nilai kesalahan relatif
didapatkan dari besar nilai kesalahan disetiap data suhu yang tebaca pada GUI terhadap nilai
suhu yang terbaca pada termometer alkohol.
Suhu (°C)
Pengujian data suhu yang terbaca pada GUI dan suhu pada termometer
alkohol
100.0
90.0
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
Suhu pada termometer alkohol
Suhu pada GUI
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Data ke- (n)
Gambar 13. Pengujian data suhu yang terbaca pada GUI dan suhu pada termometer alkohol
Data dengan titik biru merupakan data suhu yang terbaca pada termometer alkohol,
sedangkan data dengan titik merah memperlihatkan data suhu yang terbaca pada GUI.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
14
Pada pengujian ini rata-rata kesalahan data kedalaman yang tampil di GUI adalah
sebesar 0.1 dari nilai seharusnya, sedangkan rata-rata kesalahan relatif adalah 0.4% .
Kesalahan di atas dapat disebabkan adanya perbedaan waktu kenaikan pembacaan antara
sensor pt-100 dan termometer alkohol. Pada praktiknya, sensor pt-100 mampu membaca
perubahan sensor pt-100 ketika suhu berada di luar suhu ruangan lebih cepat dibandingkan
termometer alkohol.
Untuk menguji sistem akuisisi ini dapat berjalan dengan baik di lapangan dilakukan uji
pengukuran suhu terhadap kedalaman pada lubang sumur departemen Fisika UI dengan
kedalaman sebesar 20 m dan
sumber mata air panas Gunung Pancar, Bogor dengan
kedalaman 3.5 m. Proses pengukuran dilakukan dengan menurunkan kedalaman sensor suhu
pt-100 melewati tiang penyangga dengan besar interval kedalaman sebesar 1 m untuk lubang
sumur Departemen Fisika UI Besarnya kedalaman dipantau melalui GUI, setelah proses
penurunan selesai setiap interval, kemudian sensor didiamkan terlebih dahulu untuk
menyesuaikan suhu sekitarnya. Setelah nilai sensor suhu mulai stabil, maka proses
penyimpanan data dilakukan dengan menekan tombol
pada GUI, proses penyimpanan ini
dilakukan 1 menit untuk mengambil 60 data. Setelah proses penyimpanan selesai, maka
tombol
ditekan kembali dan akan muncul data yang sebelumnya tersimpan pada grafik.
Pada pengukuran suhu terhadap kedalaman lubang sumur Departemen Fisika UI,
dilakukan pengukuran sebanyak tiga kali. Tanggal, waktu dan kondisi pengukuran pada setiap
pengukuran di Departemen Fisika UI tertera pada tabel 1. Data diambil sebanyak 60 kali pada
setiap titik kedalaman kemudian data suhu di rata-ratakan dan dihitung standar deviasi dari
setiap data. Nilai rata-rata suhu pada setiap titik kedalaman (hingga kedalaman 20 m)
dibentuk grafik. Sumbu X merupakan nilai rata-rata suhu, sumbu Y merupakan nilai
kedalaman.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
15
Suhu (°C)
Hasil Pengukuran Suhu terhadap kedalaman pada lubang sumur Dept.
Fisika UI
34.0
33.5
33.0
32.5
32.0
31.5
31.0
30.5
30.0
29.5
29.0
28.5
Data 17-04-2013
Data 16-05-2013 (2)
Data 16-04-2013 (1)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
Kedalaman (m)
Gambar 15. Grafik seluruh hasil pengukuran suhu terhadap kedalaman di Departemen Fisika UI
Gambar 15. menunjukkan grafik hasil pengukuran suhu. Pada gambar terlihat bahwa
nilai awal pada pengukuran pertama (tanggal 17-04-2013) berbeda jauh apabila dibandingkan
dengan pengukuran kedua (tanggal 16-04-2013 (1)) dan ketiga (tanggal 16-04-2013 (2)) yang
nilai suhu awalnya tidak berbeda jauh. Hal ini disebabkan karena suhu permukaan pada
pengukuran pertama berbeda dengan pengukuran kedua dan ketiga.
Pada pengukuran kedua, suhu permukaan (pada kedalaman 0 m) yang dibaca sensor
pt-100 adalah sebesar 30.3 °C sedangkan suhu pada kedalaman 1 m mengalami kenaikan
sebesar 0.1 °C menjadi 34 °C. Kenaikan ini dapat disebabkan pada awal pengukuran sensor
pt-100 belum menyesuaikan dengan suhu sekitar dan kemungkinan besaran fisis lain yang
tidak diperhitungkan pada penelitian ini seperti kelembapan dan tekanan yang berbeda yang
dapat mempengaruhi besarnya nilai suhu pada kedalaman 0 dan 1 m.
Suhu pada kedalaman berikutnya hampir konstan dan sama dengan suhu sebelumnya
yakni berada pada suhu 29.9 – 30.3 °C. Perbedaan suhu mulai terlihat kedalaman 16 m, pada
kedalaman ini nilai suhu awalnya naik kemudian mengalamai penurunan hingga 29.1 °C pada
saat kedalaman mencapai 20 m. Seperti pengukuran sebelumnya, pada kedalaman 16 m – 20
m sensor pt-100 telah mengenai air yang memiliki suhu berbeda dan keadaan lainnya yang
berbeda seperti tekanan dan kelembapan udaranya.
Pengukuran ketiga tidak jauh berbeda dengan pengukuran kedua, hal ini dikarenakan
pengukuran dilakukan pada hari yang sama dan waktu yang tidak berbeda jauh.
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
16
Pada dasarnya, saat sensor suhu semakin turun ke bawah, maka semakin tinggi pula
kenaikan suhu. Pada daerah non prospek panas bumi secara praktik dapat dikatakan suhu
hampir tetap, tetapi sesungguhnya terjadi kenaikan suhu yang sangat perlahan yakni 3 °C/
100 m atau 0.003 °C/m dan resolusinya sangat kecil. Pernyataan tersebut belum dapat kita
buktikan pada penelitian ini, hal ini dikarenakan kedalaman sumur yang masih dangkal yakni
sebesar 20 m dan resolusi sensor yang belum dapat mendeteksi perubahan yang amat kecil
dari perubahan suhu yang terjadi.
IV. KESIMPULAN
Sensor Pt-100 beserta rangkaian pengondisi sinyalnya memiliki sensitivitas sebesar
42.4 mV/°C atau
0.042 V/°C sehingga rangkaian ini cukup baik dibaca oleh ADC
mikrokontroler H8/3069F yang memiliki resolusi 10 bit atau dapat membaca tegangan 0.005
V/bit.
Sensor rotary encoder buatan Autonics tipe E40S6-1000-3-T-24 mampu bekerja
dengan sangat baik untuk pengukuran yang membutuhkan ketelitian 100 cm atau 0.1 m
dengan menggunakan rangkaian TTL Converter pengubah level tegangan dari 10 V ke 5 V
untuk masuk ke mikrokontroler. Keluaran dari tegangan ini berupa pulsa-pulsa dibaca sebagai
pulsa counter yang dicacah oleh mikrokontroler H8/3069F.
Mikrokontroler H8/3069F telah mampu mengoperasikan sistem akuisisi data suhu
dengan sensor Pt-100 bersamaan dengan sensor rotary encoder sebagai pendeteksi posisi
kabel yang mengindikasikan nilai kedalaman sensor suhu Pt-100 dengan fitur ADC, dan
Interrupt Controller yang ada didalamnya secara real-time. Data hasil akuisisi ditampilkan
dan diolah oleh GUI Python dan data dapat disimpan dalam bentuk file dokumen.
V. SARAN
1. Resolusi ADC yang lebih besar untuk menambah ketelitian pembacaan data suhu
2. Penggunaan sistem otomatis penurun kabel sensor suhu dengan motor terintergrasi
dengan rotary encoder
3. Minimalisasi ukuran alat untuk pengoperasian pada saat pengukuran di lapangan
4. Permodelan sumur dengan gradien suhu yang cukup baik untuk digunakan dalam
proses kalibrasi sistem akuisisi data suhu terhadap kedalaman sumur pengeboran
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013
17
DAFTAR ACUAN
[1] Prensky, S. (1992). Temperature Measurements in Boreholes: An Overview of
Engineering and Scientific Applications. The Log Analyst , 33, 313-333
[2] B.Sanner, S. (2001, Juni). Geothermal Energy. GHC Bulletin, p.16
[3] Renesas Electronic Corp. (2010, September 04). Dikutip Januari 03, 2013, dari
http://tokyo-ct.net/usr/kosaka/for_students/H8/h8_3069Hardwaremanual.pdf
Rancangan sistem…, Nella Marwah, FMIPA UI, 2013