Pengukuran RESISTIVITAS batuan.

Pengukuran RESISTIVITAS batuan.
•
•
•
•
•
Resistivitas adalah kemampuan suatu bahan atau medium
menghambat arus listrik.
Pengukuran resistivitas batuan merupakan metode AKTIF, yaitu
pengukuran dengan memberikan arus listrik ( I ) melalui elektroda
arus dan mengukur beda potensial ΔV pada elektroda potensial.
Sesuai dengan hukum OHM, maka harga resistivitas dapat dihitung
dari perhitungan R sama dengan ΔV dibagi dengan I.
Syarat untuk memperoleh harga ukur ΔV yang benar adalah “input
impedansi” dari volt meter harus besar ( >10 MOhm.)
Untuk menghindari terjadinya polarisasi pada elektroda, digunakan
arus bolak-balik dengan frekuensi rendah.
Rangkaian pengukuran.
•
Pengukuran R
I
V
R
V
I
V
V
R
(a)
R sama dengan V dibagi I
bila tahanan dalam volt
meter sama dengan tak
>10 M Ohm.)
berhingga ((>
(b)
R sama dengan V dibagi I
bila tahanan dalam
amperemeter sama
dengan nol
Pengukuran resistivitas “sample” batuan.
•
Sample dengan luas penampang A.
I
∆V
R=
I
L
ρL
R=
A
A
ΔV
∆V A
ρ=
Ω.m
I L
Penggunaan 4 elektroda.
•
Dalam geofisika pengukuran resistivitas menggunakan skema ( a )
dengan menggunakan empat buah elektroda untuk menghilangkan
pengaruh tahanan kontak terhadap hasil ukur.
∆V
ρ=K
I
I
ΔV
C1
P1
P2
C2
K : faktor geometri.
C1 dan C2, elektroda arus
P1 dan P2, elektroda potensial
Daya tembus arus listrik,
•
Arus listrik yang melalui medium tanah/batuan menyebar dari
elektroda membentuk garis arus yang rapat arusnya semakin dalam
semakin kecil, rapat arus terbesar di dekat permukaan.
C1
P1
P2
C2
z
•
Daya tembus z, sebanding dengan setengah jarak elektroda arus
C1-C2.
Pengukuran resistivitas “mapping” dan “sounding”
“mapping” adalah pengukuran resistivitas kearah
mendatar, kearah sumbu x atau y, dengan jarak
elektroda tetap (daya tembus tetap). Survei ini bertujuan
memperoleh harga resistivitas sebagai fungsi posisi (x,y),
dengan (z) tetap.
• “sounding” adalah pengukuran resistivitas di suatu titik
tetap, kearah kedalaman (z), berarti jarak elektroda arus
dibuat semakin besar (daya tembus semakin dalam).
Survey ini bertujuan untuk mengetahui harga resistivitas
sbegai fungsi kedalaman (z) dengan posisi (x,y) tetap.
•
Materi Praktikum (3),
Pengukuran Resistivitas air
•
Rangkaian,
S
I
air
L
K
V
I :amperemeter
V:voltmeter
S:sumber (power supply)
K:kompensator
Materi Praktikum (3), pengukuran resistivitas air
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Pasanglah rangkaian seperti pada skema.
Isi kotak kaca dengan air.
Sebelum dialirkan arus listrik, ukurlah potensial yang terbaca
pada DVM, aturlah kompensator sehingga DVM menunjuk nol.
Hidupkan sumber, segera baca arus listrik ( I ) dan baca ( V ).
Matikan sumber, baliklah arah arusnya, ulangi pembacaan seperti
langkah ( 4 ).
Ukurlah ( V ) untuk bermacam-macam harga ( I ).
Buatlah grafik hubungan antara V dan I, hitunglah R.
Ukurlah luas penampang (air) dan jarak elektroda potensial.
Hitung harga resistivitas r.
Buatlah bahan ( larutan ) yang lain, hitung resistivitasnya.
Pengukuran resistivitas di lapangan
Masalah ( gangguan )yang timbul, di lapangan
•
•
•
Adanya potensial yang disebabkan proses elektrokimia yang terjadi
pada elektroda, sehingga timbul beda potensial pada elektroda
potensial, meskipun belum dialirkan arus pada elektroda arus.
Adanya potensial alam yang disebabkan oleh proses polarisasi
pada daerah yang banyak terdapat mineral logam (senyawa sulfida)
disebut dengan “natural potential” atau “self potential” yang
mengganggu pembacaan harga beda potensial karena adanya arus
listrik.
Adanya tahanan kontak atau “contact resistance” antara elektroda
dan medium (tanah), menyebabkan kesalahan pada pembacaan
beda potensial, sehingga menyebabkan kesalahan pada
perhitungan harga dalam pengukuran resistivitas.
Cara mengatasi gangguan.
Potensial pada elektroda
•
Untuk menghilangkan pengaruh potensial pada elektroda potensial,
maka digunakan elektroda potensial yang terdiri dari logam yang
dicelupkan pada larutannya sendiri yang dimasukkan pada tempat
yang berpori-pori, elektroda semacam ini disebut “porus pot
electrode” atau “non polarizable electrode”.
Tembaga (Cu)
Larutan (CuSO4)
Keramik berpori
P
Mengatasi potensial alam,
•
Di alam kadang-kadang timbul potensial karena terbentuknya “cell”
karena proses oksidasi dan reduksi di daerah yang merupakan
akumulasi mineral sulfida. Potensial ini dapat dikompensasi dengan
membuat sumber potensial menggunakan baterei yang dapat diatur
sehingga jumlah potensialnya menjadi nol.
VP
VK
K
P1
P2
VSP
VK
Rangkaian kompensator
Aturlah VK sedemikian sehingga VP
yang terbaca = nol. ( sebelum ada
arus)
Pengukuran resistivitas di lapangan
Masalah tahanan kontak.
•
•
•
Tahanan kontak adalah tahanan yang timbul karena kontak antara
elektroda logam dan medium (tanah), tahanan kontak antara logam
dengan logam sama dengan nol.
Arus yang dialirkan ke elektroda arus “sulit” masuk ke tanah bila
tahanan kontak pada elektroda arus terlalu besar, untuk
mengatasinya tahanan kontak diperkecil dengan menyiramkan air
pada elektroda arus.
Tahanan kontak pada elektroda potensial tidak mempengaruhi
harga pembacaan beda potensial, bila tahanan dalam dari alat ukur
potensial jauh lebih besar dari tahanan kontaknya.
Sifat resistivitas batuan,
•
•
•
Batuan mempunyai sifat menghantarkan arus listrik yang besarnya
tergantung pada frekuensi arus yang dimasukkan, jadi bukan seperti
tahanan murni dimana harga resistivitas tidak tergantung pada
frekuensi.
Resistivitas batuan tergantung pada frekuensi disebabkan karena
adanya sifat kapasitif yang terjadi pada bidang batas antara bagian
padat dan larutannya. Sifat kapasistif terjadi karena adanya
penumpukan muatan negatif pada permukaan bagian padat dan
penumpukan ion positif pada larutannya, jajaran muatan ini disebut
“electrical double layer”atau lapisan kembar listrik.
Jadi secara analogi rangkaian listrik, seolah-olah resistivitas batuan
terdiri dari tahanan murni yang terpasang seri dan paralel dengan
suatu kapasitor.
Resistivitas sebagai fungsi frekuensi,
•
Pada umumnya, resistivitas batuan tinggi pada frekuensi < 1 Hz,
dan mempunyai nilai lebih rendah pada frekuensi > 10 Hz, sedang
pada frekuensi antara 1 sampai 10 Hz disebut daerah transisi.
ρ
-1
0
1
10
log f
Pengukuran ρ, instrumen
•
•
•
Pengukuran resistivitas mula-mula menggunakan arus searah ( DC
resistivity), karena penggunaan arus searah menimbulkan polarisasi
pada elektrodanya, maka pengukuran resistivitas kemudian
menggunakan arus bolak-balik.
Polarisasi elektroda adalah proses kimia yang terjadi pada elektroda
bila diberi tegangan searah, pada anoda akan terjadi penumpukan
ion negatif sedang pada katoda akan terjadi penumpukan ion positif.
Penumpukan ion ini akan menghambat aliran arus ke medium,
sehingga arus listrik semakin lama semakin kecil.
Arus bolak-balik mencegah timbulnya polarisasi, karena sebelum
terjadi penumpukan ion, polaritas elektroda sudah dibalik, yang
positif menjadi negatif dan sebaliknya.
Cara pengukuran,
•
•
•
•
Pada instrumen lama, pengukuran menggunakan “continous wave”,
jadi arus dikirimkan terus sampai proses pengukuran selesai ( harga
arus I dan beda potensial V sudah terbaca).
Pada instrumen baru, pengiriman arus hanya selama satu periode
saja, yaitu misalnya selama setengah detik dikirim arus positif
kemudian setengah detik berikutnya dikirim arus negatif.
Pengukuran menggunakan sumber arus konstan (constant current
source), agar arus yang dikirim besarnya tetap walaupun pada
elektroda terjadi polarisasi.
Pengukuran potensial dilakukan dengan parangkat digital, sehingga
perhitungan harga beda potensial rata-rata (selama satu periode)
lebih teliti.
Pengukuran resistivitas dengan arus bolak-balik.
•
Pengukuran Resistivitas dengan arus bolak-balik.
I
1 detik
∆V
1 detik
Efek kapasitif
1. Pengukuran ρ dengan sumber
arus konstan (“constant current
source”) dengan frekuensi
rendah (untuk menghindari
polarisasi).
2. Pengukuran beda potensial
dilakukan dengan menghitung
harga rata-rata pada saat arus
positif dan pada saat arus negatif.
3. Harga ρ dihitung = K [ ∆V/ I]
Pengukuran efek polarisasi.
•
•
•
•
Efek polarisasi, yaitu terjadinya proses elektro kimia pada bidang
batas antara bagian batuan padat dengan larutannya. Efek
polarisasi menyebabkan timbulnya potensial ekstra yang disebut
“over voltage” terjadi lebih banyak bila frekuensi arus yang
dimasukkan rendah, atau mendekati arus searah.
Setelah arus dimatikan, potensial polarisasi akan terdeteksi dan
turun perlahan ( dalam orde detik), disebut “decay potential”.
“Decay Potential” merupakan indikator besarnya polarisasi, bila
potensial ini direkam, dan dihitung harga integralnya maka besaran
yang dihitung dinamakan “chargeability” ( M ), makin besar
polarisasi makin besar “chargeability”.
Daerah yang banyak mengandung mineral senyawa sulfida harga M
besar.
Polarisasi Terinduksi ( Induced Polarization)
•
Prinsip pengukuran, TIME DOMAIN – Kawasan Waktu.
I
∆V(mV)
T
t
V(t)
t1
∆V
t
t2
Chargeability
t2
1
M =
V (t )dt
∫
Vm t1
Polarisasi Terinduksi,
•
•
Pengukuran, FREQUENCY DOMAIN, Kawasan Frekuensi.
Dilakukan dengan mengukur harga resistivitas pada dua frekuensi,
kemudian dihitung besaran yang disebut “Percent Frequency Effect”
atau PFE, yaitu perubahan harga resistivitas pada frekuensi tinggi
dan frekuensi rendah.
ρL − ρH
PFE =
× 100%
ρH
ρL : harga resistivitas pada frekuensi rendah ( 0,1 Hz.)
ρH : harga resistivitas pada frekuensi tinggi ( 10 Hz.)
Sumber arus, resistivitas dan beda potensial.
•
•
•
•
Besaran yang diukur adalah
arus listrik ( I ), beda potensial
(∆V ) untuk menghitung
resistivitas.
Untuk susunan elektroda
Wenner, maka harga K =2
πa,
=2π
sehingga untuk a = 2 meter,
maka K = 12,5 m.
Bila resistivitas permukaan =
100 ohm-m, berarti harga
resistansi adalah 100 dibagi
dengan 12,5 sama dengan 8
ohm.
Dari hukum ohm, bila arus yang
dimasukkan ke tanah/medium 1
mA maka beda potensial yang
terukur adalah 8 mV.
∆V
ρ=K
I
CATATAN :
∆V sebesar 8 mV, cukup
untuk dibaca dengan alat
DVM.
Jadi selama harga ∆V masih
dapat dibaca dengan jelas,
arus listrik dibuat sekecil
mungkin, untuk menghemat
energi dan mengurangi
energi yang berubah menjadi
panas.
Sumber arus untuk medium yang kering,
•
•
Daerah kering mempunyai resistivitas yang tinggi, maka untuk dapat
memasukkan arus ke medium/tanah diperlukan sumber arus
dengan tegangan yang tinggi, biasanya sampai sekitar 400 V.
Untuk keperluan ini harus dibuat “DC to DC Converter”, yaitu
perangkat yang berfungsi menaikkan tegangan dari 12 Volt, menjadi
400 Volt (DC).
+
12 V
-
12 V
ac
400 V
ac
Osilator
Penyearah
POWER
(rectifier)
1000 Hz
Trafo
Trafo””step-up
step-up””
+
-
400 V-DC
DC to DC Converter
•
•
•
•
•
Osilator membangkitkan gelombang dengan frekuensi 100 Hz,
penguat daya memperbesar daya keluaran dari osilator ini untuk
diumpanklan ke sebuah Trafo step-up.
Trafo step-up berfungsi menaikkan tegangan bolak-balik, dari 12 V
(ac) menjadi 400 V (ac).
Tegangan keluaran dari trafo disearahkan, sehingga keluaran
menjadi 400 V DC.
Sesuai dengan hukum kekekalan energi, dan menganggap tidak
panas yang hilang, maka bila dikehendaki daya keluaran maksimum
adalah 400 Watt, berarti arus maksimum yan dapat ditarik adalah
sebesar 1 Ampere.
Arus yang ditarik dari “aki” 12 V adalah (400 W)/ 12 V sama dengan
33,3 Ampere.