f24_merancang seismometer dengan

PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
MERANCANG SEISMOMETER DENGAN
MENGGUNAKAN LVDT
Joko Budiyono, Suryasatriya Trihandaru, Andreas Setiawan
Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Kristen Satya Wacana,
Jln. Diponegoro no. 52-60 Salatiga, Indonesia
ABSTRAK
Pada saat ini gempa bumi merupakan suatu istilah yang tidak asing bagi telinga kita. Tetapi bagi
masyarakat pada umumnya peristiwa ini selalu menghantui karena telah merenggut banyak korban,
seperti peristiwa gempa bumi dan Tsunami di Aceh-Nias pada bulan Desember Tahun 2004. Melalui
peristiwa tersebut, masyarakat awam pada umumnya memahami bahwa gempa bumi dianggap sebagai
peristiwa yang menakutkan bahkan sebagai kutukan dari Sang Ilahi karena belum memahami penyebab
terjadinya dan bagaimana mengetahui kekuatannya. Salah satu tindakan untuk mengatasi kesalahpahaman
tersebut adalah memberikan pengetahuan kepada masyarakat khususnya melalui peserta didik untuk
mengetahui fenomena alam yang harusnya dihadapi. Dalam paper ini, salah satu tindakan yang perlu
dilakukan adalah peneliti akan menjelaskan proses terjadinya gempa bumi dan merancang alat
(seismometer) untuk mendeteksi gempa bumi dengan menggunakan LVDT (Linear Variable Differetial
Transformer). Alat yang dirancang menggunakan bahan-bahan yang sederhana dan mudah di peroleh
dengan biaya yang murah. Hasil yang diperoleh berupa data sinusoida yang di rekam dalam SoundCard
kemudian diolah dengan program Matlab untuk di tampilkan melalui monitor komputer. Dengan alat ukur
gempa bumi (seismometer) yang telah dirancang ini diharapkan dapat berguna bagi masyarakat
khususnya peserta didik dan bagi para peneliti yang berminat menekuninya.
Kata kunci : Gempa, Seismometer, LVDT, Soundcard, Monitor komputer.
1. PENDAHULUAN
1.1
Latar belakang
Di Indonesia sering terjadi bencana gempa bumi yang telah banyak merenggut jiwa.
Peristiwa tersebut merupakan tragedi yang menakutkan bagi masyarakat.
Ada beberapa daerah yang pernah mengalami gempa bumi berdasarkan data dari Badan
Metrologi, Klimatologi dan Geofisika, antara lain[7] : Daerah Barat daya Jayapura-Papua (5.4
SR), Daerah Gunungsitoli-Sumut (5.9 SR), Daerah Ambon-Maluku (5.0 SR), Barat Daya
Padang Sidempuan-Sumut (5,5 SR), Daerah Barat daya Cilacap-Jateng (7,1 SR), Daerah
Tenggara Ujungkulon-Banten (5,4 SR), Daerah Tenggara Meloguane-Sulut (5,6 SR), dan
Daerah Tenggara Blitar-Jawa timur (6,1SR).
Dalam dunia pendidikan, pengetahuan tentang seismologi merupakan materi yang jarang
dibahas sehingga pengetahuan tentang fenomena alam ini kurang mendapat perhatian yang
serius. Tetapi dengan berkembangnya teknologi serta tingkat mobilitas manusia yang semakin
meningkat maka manusia dituntut untuk mengetahui segala sesuatu yang terjadi di sekitarnya
secara cepat. Dalam perancangan ini peneliti merancang alat yang mampu mendeteksi gempa
bumi dengan menggunakan sensor LVDT. Sensor LVDT merupakan sebuah sensor yang peka
terhadap perubahan posisi suatu benda yang berada didalamnya.
Adapun tujuan perancangan ini adalah untuk membuat alat ukur gempa bumi
(Seismometer) yang sederhana dan biaya murah serta mudah dipindah-pindahkan jika
dibutuhkan untuk penelitian. Alat ini juga dapat digunakan dalam dunia kependidikan, agar
peserta didik memahami peristiwa gempa bumi serta pengukuran kekuatannya.
2. LANDASAN TEORI
2.1
Gempa
Gempa bumi adalah suatu gejala fisik yang ditandai dengan bergetarnya bumi dengan
berbagai intensitas, dimana bangunan mengalami gerakan vertikal dan horizontal[1]. Gejala
gempa bumi merupakan getaran yang dihasilkan melalui gelombang yang membawa energi
F24-1
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
yang sangat besar karena pergerakan lempeng bumi. Beberapa klasifikasi gempa bumi
berdasarkan penyebab terjadinya:
1.
Gempa bumi vulkanik ( Gunung Api ): gempa bumi ini terjadi akibat adanya aktivitas
magma, yang biasa terjadi sebelum gunung api meletus.
2.
Gempa bumi tektonik : gempa bumi ini disebabkan oleh adanya aktivitas tektonik.
Gempa bumi ini banyak menimbulkan kerusakan atau bencana alam di bumi.
3.
Gempa bumi tumbukan : Gempa bumi ini diakibatkan oleh tumbukan meteor atau
asteroid yang jatuh ke bumi, jenis gempa bumi ini jarang terjadi.
4.
Gempa bumi runtuhan : Gempa bumi ini biasanya terjadi pada daerah kapur ataupun pada
daerah pertambangan, gempa bumi ini jarang terjadi dan bersifat lokal.
5.
Gempa bumi buatan : Gempa bumi buatan adalah gempa bumi yang disebabkan oleh
aktivitas dari manusia, seperti peledakan dinamit, nuklir atau palu yang dipukulkan ke
permukaan bumi.
6.
Seismisitas terinduksi: Gempa bumi yang terjadi karena ulah manusia, seperti peledakan
bahan peledak / nuklir.
Untuk mengetahui kekuatan getaran atau goncangan gempa bumi digunakan alat yang
disebut Seismometer. Hasil rekaman dari Seismometer disebut seismograf [1],[9]. Seismograf
biasanya dipasang dengan kedalaman ±4 meter di dalam tanah, agar dapat mendeteksi
goncangan lebih tepat dan data yang didapatkan lebih akurat.
2.2
Skala Richter
Terdapat dua pendekatan untuk mengukur kekuatan suatu peristiwa gempa, yaitu
intensitas dan magnitudo[9]. Intensitas adalah ukuran subyektif atau kualitatif kerusakan yang
disebabkan oleh gempa. Besarnya intensitas gempa dipengaruhi beberapa faktor, antara lain:
Besar energi yang dilepaskan, kedalaman hiposenter, jarak dari episenter, durasi getaran,
kepadatan penduduk, dan jenis kontruksi bangunan (Monroe et al., 2007).
Berikut ini beberapa klasifikasi intensitas gempa bumi menurut Charles F. Richter, seperti
ditunjukkan pada table di bawah ini.
Tabel klasifikasi intensitas gempa dengan skala Richter[9]
< 2.0
Gempa kecil , tidak terasa
2.0-2.9 Tidak terasa, namun terekam oleh alat
3.0-3.9 Seringkali terasa, namun jarang menimbulkan kerusakan
4.0-4.9 Dapat diketahui dari bergetarnya perabot dalam ruangan, suara gaduh
bergetar. Kerusakan tidak terlalu signifikan
5.0-5.9 Dapat menyebabkan kerusakan besar pada bangunan pada area yang kecil.
Umumya kerusakan kecil pada bangunan yang didesain dengan baik
6.0-6.9 Dapat merusak area hingga jarak sekitar 160 km
7.0-7.9 Dapat menyebabkan kerusakan serius dalam area lebih luas
8.0-8.9 Dapat menyebabkan kerusakan serius hingga dalam area ratusan mil
9.0-9.9 Menghancurkan area ribuan mil
> 10
Belum pernah terekam
Sedangkan magnitudo adalah ukuran kuantitatif berupa jumlah energi yang dilepaskan
dari pusat gempa.
F24-2
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
Gambar 1. Penentuan magnitudo gempa dengan Skala Richter[10]
Cara penentuan magnitudo gempa bumi dengan Skala Richter ialah dengan menghitung
amplitudo maksimum gelombang gempa dan menandakannya pada garis skala 'amplitudo'
(sebelah kanan), seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Selisih waktu kedatangan gelombang
Primer (P) dan gelombang Sekunder (S) ditandakan pada garis skala 'jarak gelombang P-S'
(sebelah kiri). Jika ditarik garis yang menghubungkan kedua titik tersebut, maka titik yang
memotong garis skala 'magnitudo' (garis di tengah) adalah Magnitudo gempa.
2.3
LVDT
LVDT adalah suatu alat elektromekanikal yang mampu menghasilkan output elektrikal
yang sebanding dengan pergeseran intinya[2]. Konstruksi dasar LVDT ini terdiri dari sebuah
kumparan primer , dua buah kumparan skunder dan sebuah inti besi yang bergerak bebas di
dalamnya, seperti ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Konstruksi LVDT[4)
Dalam penggunaannya kumparan primer dieksitasi dengan tegangan bolak-balik (AC)
dan frekuensi antara 10 Hz – 20.000 Hz, sehingga menimbulkan flux magnetik. Dua kumparan
disebelah luar merupakan kumparan sekunder, terinduksi oleh fluks magnetik yang
dibangkitkan oleh kumparan primer melalui inti besi yang ada di dalamnya dan bila inti besi
berada dalam pusat kumparan primer akan menghasilkan keluaran sama dengan nol volt.
Kumparan skunder pertama dan kumpuran skunder kedua dihubungkan secara seri dengan arah
lilitan berlawanan arah sehingga apabila diinduksikan kedua kumparan amplitudo
gelombangnya sama besar dan tegangannya akan berbeda fase sebesar 1800. Hal ini
menghasilkan perbedaan tegangan keluaran yang bergantung pada posisi inti besi di dalam
kumparan primer tersebut.
2.4
Soundcard
Soundcard adalah peralatan tambahan dalam sistem PC (personal computer) komputer
untuk memasukkan dan mengeluarkan sinyal suara[5]. Pada dasarnya Soundcard merupakan
sistem akuisisi data untuk sinyal suara.
Cara kerja soundcard masukan (input) yaitu : mengubah sinyal analog menjadi sinyal
digital yang berkelanjutan. Sinyal digital ini disimpan dalam format waveform table dalam disk
atau dikompresi menjadi bentuk lain seperti mp3[6].
Sedangkan cara kerja soundcard keluaran (output) yaitu : mengubah sinyal digital
menjadi sinyal analog, kemudian sinyal analog diperkuat dan dikeluarkan melalui speaker[6].
Soundcard
banyak digunakan dalam pengukuran, diantaranya untuk menguji
transmission loss akustik bahan sekat, getaran jembatan dan kepekaan telinga. Pada semua
F24-3
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
aplikasi tersebut, soundcard digunakan untuk mengukur sinyal-sinyal yang rentang
frekuensinya.
2.5
Monitor
Monitor komputer berfungsi menampilkan informasi pada layar komputer secara visual,
informasi yang ditampilkan dapat berbentuk data atau gambar[3]. Agar monitor dapat
manampilkan informasi, maka diperlukan bahasa program yang sesuai keperluan dan beberapa
simulasi tertentu sesuai bentuk data aslinya.
3. EKSPERIMENTAL
3.1
Merancang kumparan LVDT
Membuat lilitan kumparan LVDT sebanyak tiga buah. Kumparan primer terdiri dari 1500 lilitan
dan kedua kumpuran skunder terdiri dari 1000 lilitan. Jenis kawat yang digunakan adalah
tembaga berdiameter 0,12 mm. Kedua lilitan kumparan skunder ini dililit secara berlawanan
arah. Kumparan LVDT yang telah di rancang perlu diuji melalui percobaan untuk mengetahui
karakteristik yang dihasilkan. Data yang diperoleh digunakan sebagai acuan dalam
pemrograman matlab.
3.2
Desain sistem
Seismometer merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi dan merekam gempa
bumi. Dalam perancangan alat merupakan modifikasi desain yang dirancang oleh Karl
Cunningham, yang berjudul “Construction Deatails of My Force-Balance Seismometer”[8].
Hasil modifikasi ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Konstruksi perancangan seismometer.
Konstruksi seismometer yang dirancang terdiri dari:
1.
Papan/basis dasar: berfungsi sebagai tempat komponen alat yang di rancang dan
untuk menahan beban seluruhnya.
2.
Tiang penyangga beban: berfungsi sebagai landasan poros batang besi untuk
menahan batang besi dan massa beban.
3.
Tali penyangga: berfungsi untuk menahan batang besi dan massa beban.
4.
Batang besi: berfungsi sebagai tuas dari beban bermassa agar dapat bergerak kearah
horizontal melalui porosnya pada tiang penyangga beban.
5.
Poros: berfungsi sebagai pusat puntiran batang besi agar massa beban bebas begerak
ke arah horizontal, ke arah kanan atau ke arah kiri beban.
6.
Peredam (Oli): berfungsi untuk menghindari getaran-getaran yang sangat kecil.
7.
Beban bermassa: berfungsi untuk menyeimbangkan gaya-gaya yang bekerja pada
batang besi, tali penyangga dan peredam serta menjaga agar inti besi bebas bergerak ke arah
horizontal.
8.
Inti besi (LVDT): merupakan rangkaian LVDT yang berfungsi untuk menimbulkan
induksi magnetik pada LVDT.
9.
Sekrup : berfungsi untuk mengatur tegangan tali penyangga.
F24-4
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
3.3
Blok sistem perancangan
Dalam perancangan ini ada beberapa tahap subsistem yang perlu digunakan seperti pada
gambar 4. Gempa sebagai sumber getaran yang menyebabkan inti besi dalam LVDT bergerak
bolak-balik disekitar posisi kesetimbangannya, sehingga dapat membaca getaran yang terjadi.
Kuat-lemahnya getaran menyebabkan besar-kecilnya amplitudo gelombang yang dihasilkan.
Gambar 4. Blok sistem perancangan
Speaker digunakan untuk menghubungkan lilitan primer LVDT dengan sinyal generator
yang berfungsi sebagai tegangan pemicunya. Sedangkan mikrofon digunakan untuk
menghubungkan lilitan skunder LVDT yang berfungsi sebagai penerima data yang dihasilkan
oleh LVDT. Baik speaker maupun mikrofon, kedua komponen ini ada di dalam perangkat
soundcard.
Data dari LVDT yang telah diterima oleh soundcard tersebut kemudian ditampilkan
dalam osiloskop dalam bentuk gelombang sinus. Data yang dihasilkan tersebut kemudian
disimpan. Setelah data yang diperlukan selesai direkam, hasilnya dapat dilihat dalam visual
data. Baik sinyal generator, osiloscop dan visual data yang tampak pada monitor, telah diolah
melalui bahasa pemrograman matlab.
3.4
Teknik pengambilan data
Teknik pengambilan data dilakukan dengan pemrograman matlab. Pertama, Memakai
generator fungsi seperti yang ditunjukkan pada gambar 5. Generator fungsi ini digunakan untuk
membangkitkan gelombang sinus sebagai pemicu tegangan primer LVDT. Dalam perancangan
ini, frekuensi gelombang yang digunakan sebesar f = 4000 Hz dan Amplitudo gelombang A = 5
skala.
Gambar 5. Generator fungsi
Kedua, memakai osiloskop seperti pada gambar 6. Osiloskop ini digunakan untuk menampilkan
getaran yang dihasilkan LVDT yang sudah di rekam oleh soundcard.
F24-5
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
1.
2.
3.
4.
5.
Gambar 6. Desain osiloskop.
Kemudian, kedua desain tersebut dijalankan dalam waktu bersamaan dengan cara:
Klik SINYAL GENERATOR, pilih gelombang sin dengan f=4000 Hz dengan A=5.
Klik OSILOSKOP.
Tulis di File Output.
'Klik REKAM, Untuk berhenti Klik STOP.
Untuk melihat hasil yang direkam Klik HISTORI.
Sebelum program dijalankan klik (FILE) kemudian tulis untuk mencari data yang
diperlukan(data rekaman). Kemudian(Klik REKAM), osiloskop dalam layar monitor
memperlihatkan perubahan skala. Naik-turunnya skala pada osiloskop ini menunjukkan besarkecilnya amplitudo gelombang yang dihasilkan LVDT. Apabila perekaman data telah selesai,
untuk mengakhirinya dapat dilakukan dengan cara Klik “STOP”. Untuk melihat hasil rekaman
yang dihasilkan tersebut, klik menu HISTORI yang ada dalam visual data. Dalam perancangan
ini, hasil rekaman data yang diperoleh seperti ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7. Visualisasi rekaman data.
Grafik yang diperlihatkan pada gambar 7 diatas, merupakan hasil rekaman data oleh
soundcard yang telah diolah melalui pemrograman matlab. Selama data sedang terekam,
papan/basis dasar diberikan getaran sehingga beban bermassa ikut bergerak. Gerakan basis
terhadap beban bermassa diubah dalam bentuk tegangan listrik (Volt) berupa gelombang sinus
oleh LVDT yang gulungan primernya dipicu oleh sinyal generator fungsi melewati speaker
dalam soundcard, dan hasilnya direkam melalui mikrofon dalam soundcard.
Data yang direkam oleh soundcard kemudian diolah dengan program matlab dengan
menyearahkan gelombang sinus yang terekam agar tegangan keluarannya identik dengan data
aslinya. Hasil data yang diperoleh setelah diolah oleh matlab seperti pada gambar 7. Sumbu
vertikal (sumbu-y) adalah tegangan keluaran LVDT (Volt) dan sumbu horizontal (sumbu-x)
adalah lama waktu (detik) getaran yang terekam. Jangkauan waktu yang diperlukan untuk setiap
rekaman data diatur melalui program matlab sebesar 0,1 detik.
F24-6
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
4. DATA DAN ANALISA DATA
Data yang dihasilkan dalam penelitian ini seperti pada gambar 7 di atas, diperoleh dengan
cara: Pertama, setelah semua peralatan dipersiapkan dan program matlab dijalankan kemudian
meja (tumpuan osiloskop) digerakkan dengan simpangan 0,5cm, hasilnya seperti pada bagian
lingkaran kolom ke-1. Setelah itu ditunggu beberapa saat hingga papan/basis dasar berada dalam
posisi diam. Selanjutnya meja digerakkan kembali dengan simpangan 2cm. hasilnya tampak
pada bagian lingkaran kolom ke-2.
Berdasarkan gambar 7 dapat diamati ada dua buah puncak gelombang yang berbeda yaitu
bagian lingkaran kolom ke-1 dan kolom ke-2. Perbedaan kedua puncak menunjukkan,
perbedaan simpangan getarannya. Meja yang digerakkan dengan simpangan 0,5cm memiliki
amplitudo yang kecil, dibandingkan dengan meja yang digerakkan dengan simpangan 2cm.
Sedangkan pada posisi meja diam tidak ada puncak yang terbentuk (garis horisontal).
Tinggi rendahnya amplitudo getaran pada kolom ke-1 dan kolom ke-2 menunjukkan
besar kecilnya energi getaran yang diterima oleh seismometer. Energi yang dihasilkan tersebut
dapat dianalogikan kekuatan gempa bumi yang tengah terjadi.
5. KESIMPULAN
Sensor LVDT dapat digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi getaran permukaan
bumi akibat gempa bumi.
Dari data dan analisa data, perancangan alat ukur gempa bumi (seismometer) yang
telah di buat dapat mendeskripsikan getaran permukaan bumi akibat gempa bumi.
Alat yang telah dirancang mampu mendeteksi getaran permukaan bumi setiap saat.
Dalam perancangan ini, skala yang diperoleh perlu dikonversi ke dalam ukuran standar
skala Richter.
6. SARAN
Pada saat perancangan alat terutama dalam pembuatan LVDT diperlukan ketelitian
dalam melilit kawat.
Agar alat ini bisa di gunakan lebih baik, perlu melakukan penelitian selanjutnya untuk
mencari data referensi tentang posisi sumber pusat dengan alat ukur gempa.
REFERENSI
[1] Sumantri, R. Fadila, 1989.Penggunaan Dasar-Dasar Perancangan Bangunan Gedung Tahan
Gempa. Jakarta: Proyek pengembangan lembaga pendidikan tenaga
kependidikan (P2LPTK)
[2] Tooley, M. 2003. Rangkaian Elektronik Prinsip dan Aplikasi. Ed.2, Hal.29. Erlangga:
Jakarta.
[3] Muis, Saludin. 2009. Monitor [CRT] Digital Komputer. Yogyakarta: Graha Ilmu
[4] How LVDT Work, www.oocities.org/incohub/lvdt.html (diakses tanggal 10 Agustus 2010,
jam 10.00 Wib)
[5] Murod, Hasan, 2005. Skripsi “Perancangan Sistem Akuisi Data Menggunakan Masukkan
Soundcard” Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknik Universitas Gajah Mada,
Yogyakarta.
[6] Pengertian soundcard (Kartu suara), http://zigmacomputer.com/info/fungsi-dan-cara-kerjasound-card (diakses tanggal 10 Mei 2011 , jam 20.00 Wib)
[7] Badan Metrologi, Klimatologi dan Geofisika, http://www.bmkg.go.id/BMKG_Pusat/
Geofisika/terkini.bmkg (diakses tanggal 15 Mei 2011, Jam 22.00 Wib)
F24-7
PROSIDING SEMINAR NASIONAL SAINS DAN PENDIDIKAN SAINS UKSW
[8] Cunningham, Karl . “Construction Deatails of My Force-Balance Seismometer "
www.keckec.com\seismo\Overall.html. (diakses tanggal 9 Agustus 2010 , jam
13.00 Wib).
[9] Penentuan Skala Richter, http://id.wikipedia.org/wiki/Skala_Richter (diakses tanggal 15
Mei 2011,Jam 22.00 Wib).
[10]Donyadriansyah, http://donyadriansyah.blogspot.com/2008_08_01_archive.html
(diakses pada tanggal 15 Mei 2011, Jam 22.00 Wib).
F24-8