ME2223 Instrumentasi Meteorologi

ME2223 Instrumentasi MeteorologiModul Praktikum

MODUL 7METODE ELEKTROMAGNETIK

1. Tujuan Praktikum

Setelah mengikuti praktikum ini, praktikan diharapkan memahami teori, instrumentasi, survei lapangan dan interpretasi data menggunakan metode elektromagnetik.

2. Teori Dasar

2.1. Pendahuluan

Metode elektromagnetik mengukur respon tanah terhadap perambatan gelombang elektromagnetik. Koil pemancar digunakan untuk menghasilkan sebuah medan elektromagnetik primer (P) yang kemudian dipancarkan ke bawah permukaan (sub-surface) bumi. Medan ini akan menginduksi konduktor di sub-surface sehingga konduktor tersebut menghasilkan arus induksi yang dinamakan dengan arus edi (IS).

Gambar 2.1 Sistem induksi elektromagnetikArus edi ini kemudian menghasilkan medan magnet sekunder (S). Koil penerima akan mengukur resultan dari medan primer (P) dengan medan sekunder (S). Metode elektromagnetik mengukur konduktivitas material. Sebagaimana pada survei resistivitas yang mana hasil pengukuran instrumen berupa resistivitas semu, hasil pengukuran dari instrumen pada survei elektromagnetik berupa konduktivitas semu.

:Konduktivitas semu (Siemen/m)

:Medan magnet sekunder yang diukur oleh koil penerima (nT)

:Medan magnet primer yang diukur oleh koil penerima (nT)

:, adalah frekuensi dari gelombang elektromagnetik (Hz)

:Permeabilitas ruang hampa

:Jarak antara koil pemancar dengan koil penerima (m)

Metode elektromagnetik sangat berguna dan praktis karena data dapat diperoleh dengan cepat untuk daerah yang luas sekalipun. Survei elektromagnetik tidak memerlukan elektroda yang ditancapkan ke tanah seperti pada survei resistivitas. Survei elektromagnetik dapat diaplikasikan untuk berbagai macam keperluan, yaitu:1. Eksplorasi air tanah dan mineral.

2. Kontaminasi limbah pada air tanah.

3. Intrusi air laut.

4. Pemetaan geologi.

5. Penentuan lokasi benda-benda yang terpendam di dalam tanah (pipa, tangki, drum dan kabel).

6. Arkeologi.

7. Penentuan lokasi bahan tambang.

8. Penentuan lokasi gua.

Medan elektromagnetik yang digunakan dapat diperoleh dengan sengaja membangkitkan medan elektromagnetik di sekitar daerah observasi, pengukuran semacam ini disebut teknik pengukuran aktif. Contoh metode ini adalah metode turam. Daerah observasi dari metode ini dibatasi oleh besarnya sumber yang dibuat. Teknik pengukuran lain adalah teknik pengukuran pasif, teknik ini memanfaatkan medan elektromagnetik yang berasal dari sumber yang tidak secara sengaja dibangkitkan di sekitar daerah pengamatan. Gelombang elektromagnetik seperti ini berasal dari alam (magnetotellurik) dan dari pemancar frekuensi rendah (15-30 kHz), yaitu VLF (Very Low Frequency) yang digunakan untuk kepentingan navigasi kapal selam di seluruh dunia. Teknik ini mempunyai jangkauan daerah pengamatan yang luas. Stasiun pemancar VLF ada di seluruh dunia, beberapa diantaranya terdapat di Maryland (21.4 kHz), Maine (24.0 kHz) dan Washington (24.0 kHz).

2.2. Instrumentasi

Instrumen yang digunakan untuk survei elektromagnetik terdiri dari dua koil yang terpisah dengan jarak tertentu. Medan magnet dari koil pemancar menginduksi arus di dalam tanah, sehingga menghasilkan medan magnet yang dideteksi oleh koil penerima (Gambar 2.2).Instrumen ini dapat digunakan dalam dua mode, yaitu: vertikal dan horizontal. Sumbu koil tegak lurus dengan tanah jika dalam mode vertikal dan sumbu koil sejajar dengan tanah jika dalam mode horizontal. Penggunaan masing-masing mode memiliki penetrasi kedalaman yang berbeda-beda.Gambar 2.2 Skema survei elektromagnetik

Instrumen untuk survei elektromagnetik terdiri dari bagian pemancar dan penerima. Bagian pemancar berfungsi sebagai sumber energi elektromagnetik. Sumber arus bolak-balik dihasilkan oleh sebuah osilator dan jika dilewatkan ke sebuah kumparan, maka akan dihasilkan medan magnet bolak-balik. Medan magnet bolak-balik ini kemudian dipancarkan ke tanah dan udara (sejajar tanah) menggunakan sebuah antena.Bagian penerima berfungsi sebagai pengukur dan perekam medan magnet primer dan sekunder. Medan magnet tersebut diukur menggunakan dua koil yang didesain khusus sehingga diperoleh resultan dari kedua medan magnet tersebut. Hasil pengukuran yang diinginkan dari instrumen ini adalah beda fasa antara medan primer dengan medan sekunder. Pengukuran beda fasa ini dilakukan dengan mengukur resistansi potensiometer pada rangkaian penerima. Supaya dapat direkam pada suatu memori, maka arus tersebut harus dikonversi menjadi tegangan kemudian didigitalisasi menggunakan ADC (Analog to Digital Converter). Semua proses perekaman data dikendalikan oleh sebuah mikrokontroler.Gambar 2.3 Diagram blok bagian pemancar

Gambar 2.4 Diagram blok bagian penerima

2.2.1. Catu DayaCatu daya berfungsi sebagai sumber energi listrik untuk menjalankan seluruh rangkaian elektronik di dalam konduktivitas meter. Baterai kering 12 V dengan kapasitas 4 Ah dapat digunakan sebagai catu daya. Baterai dipilih karena alasan portabilitas.

2.2.2. Osilator

Osilator merupakan piranti elektronik yang menghasilkan keluaran berupa isyarat tegangan dengan frekuensi tertentu. Osilator berperan sebagai penghasil sumber arus bolak-balik pada konduktivitas meter. Agar diperoleh frekuensi yang mantap orang menggunakan kristal pada rangkaian osilator. Yang dimaksud dengan kristal di sini adalah kristal kuarsa, yaitu: kristal silikon dioksida. Kristal ini bersifat piezoelektrik.

Sifat piezoelektrisitas adalah sifat beberapa macam kristal, jika kristal ini ditekan, antara dua permukaan yang ditekan akan timbul beda tegangan listrik. Sebaliknya, jika antara dua permukaan kristal diberi beda potensial listrik terjadilah tekanan mekanis antara kedua permukaan tersebut yang menyebabkan perubahan bentuk kristal. Sifat piezoelektrik pada kristal kuarsa mengakibatkan kristal ini berperilaku sebagai suatu sistem resonansi.

Gambar 2.5 Rangkaian osilator kristal2.2.3. Koil Pemancar

Koil pemancar berfungsi sebagai penghasil gelombang elektromagnetik. Koil ini berupa sebuah solenoid dengan induktansi tertentu. Semakin besar induktansi solenoid, maka semakin besar pula medan magnet yang dihasilkan. Induktansi sebuah solenoid ditentukan oleh rumus berikut:Gambar 2.6 Solenoid dengan

diameter dan panjang

:

Induktansi solenoid ()

:

Jumlah lilitan

:

Jari-jari solenoid (meter)

:

Panjang solenoid (meter)

2.2.4. Antena dan Dummy LoadAntena adalah bagian yang paling penting dari sistem pemancar. Antena berfungsi sebagai alat yang dapat meradiasikan gelombang radio. Sebagai bagian dari sistem penerima, antena berfungsi sebagai bagian yang dapat menangkap radiasi gelombang radio. Antena yang ideal akan meradiasikan gelombang radio kesegala arah. Antena yang ideal disebut sebagai antena isotropis. Sebagai gambaran, jika antena isotropis diletakkan pada titik pusat dari bola maka antena isotropis akan mengisi semua ruang yang ada pada bola tersebut dengan radiasi gelombang radio.

Gambar 2.7 Desain antena dan dummy load (balun)Polarisasi dibedakan menjadi polarisasi vertikal dan polarisasi horizontal. Sebagai gambaran yang sederhana sebuah antena dapat dikatakan mempunyai polarisasi vertikal jika antena tersebut diletakkan pada posisi vertikal terhadap bumi. Antena dengan polarisasi vertikal akan menghasilkan gelombang radio dengan polarisasi vertikal juga.

Untuk dapat menangkap gelombang radio yang mempunyai polarisasi vertikal pada penerima radio juga dibutuhkan antena dengan polarisasi yang sama.

Antena adalah komponen yang pasif. Secara harafiah antena tidak mungkin menguatkan sinyal yang diberikan kepadanya. Penguatan pada antena sebenarnya adalah seberapa banyak antena tersebut meradiasikan gelombang radio ke arah yang diinginkan. Sebagai referensi dipakai antena isotropi dengan penguatan 0 dB.

Antena dibedakan menjadi Omnidirectional (segala arah) dan Bidirectional (dua arah). Antena omnidirectional dapat dikatakan meradiasikan gelombang radio yang sama kuat ke segala arah.

2.2.5. Koil Penerima

Koil penerima terdiri dari dua koil yang mempunyai nilai induktansi yang sama (identik). Masing-masing koil berfungsi sebagai penerima medan primer (P) dan meda sekunder (S). Masing-masing koil tersebut dirangkai dengan sebuah kapasitor, sehingga diperoleh frekuensi resonansi yang sama dengan frekuensi gelombang elektromagnetik dari bagian pemancar. Frekuensi resonansi ditentukan oleh rumus berikut:

:

Frekuensi resonansi ()

:

6.28

:

Induktansi solenoid ()

:

Kapasitansi kapasitor (F)

Gambar 2.7 Rangkaian penerima

gelombang elektromagnetik

Potensiometer R berfungsi sebagai pengukur beda fasa antara medan primer dengan medan sekunder secara tidak langsung. Kegunaan dari indikator nol adalah sebagai penanda beda fasa antara kedua medan elektromagnetik tersebut. Sebuah ampere meter dapat digunakan sebagai indikator nol. Jika medan primer sefasa dengan medan sekunder, maka ampere meter akan menunjukkan nilai arus sebesar dua kali arus maksimum dari rangkaian RLC tersebut (saat terjadi resonansi). Jika medan primer berlawanan fasa dengan medan sekunder, maka ampere meter akan menunjukkan nilai nol.Gambar 2.8 Grafik antara arus terukur

terhadap frekuensiUntuk mendapatkan beda fasa dari kedua medan elektromagnetik itu, R diputar hingga kedua medan tersebut berlawanan fasa (I = 0 mA). Resistansi dari potensiometer ini akan sebanding dengan beda fasa.Dengan pertimbangan kepraktisan, ampere meter pada umumnya diganti dengan headset yang berfungsi sebagai indikator nol. Headset ini tidak akan mengeluarkan bunyi berisik jika medan primer dan sekunder dalam keadaan berlawanan fasa.Resistansi dari potensiometer R diukur menggunakan ohm meter dan dibaca dan dicatat nilainya pada tabel pengukuran ketika indikator nol bernilai nol.

2.2.6. Perekam DataJika diinginkan instrumen untuk survei elektromagnetik ini dapat berjalan semi-otomatis, maka perlu dibuat sebuah sistem perekam data. Sebuah mikrokontroler dapat digunakan untuk mengendalikan proses perekaman data tersebut. Resistansi dari potensiometer perlu dikonversi ke besaran yang dapat diterima oleh ADC (Analog to Digital Converter) internal mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengirimkan data-data digital tersebut ke sebuah memori yang berupa SD-Card. Penyimpanan ke SD-Card dikendalikan secara manual menggunakan sebuah tombol, ketika medan primer dan sekunder dalam keadaan berlawanan fasa.2.3. Survei LapanganSurvei lapangan menggunakan metode elektromagnetik dilakukan dengan tracking pada daerah yang diinginkan.

Gambar 2.9 Survei lapangan menggunakan

metode elektromagnetikDi setiap titik tracking, nilai resistansi dari potensiometer diukur dan dicatat (mode manual) ataupun disimpan ke memori (mode semi-otomatis). Resistansi yang dimaksud adalah ketika medan primer (P) dengan medan sekunder (S) dalam keadaan berlawanan fasa yang ditandai oleh indicator nol yang bernilai nol (I = 0 mA atau tidak terdengat suara berisik pada headset).

2.4. Interpretasi Data

Hasil pengukuran dari survei elektromagnetik di atas (berupa resistansi (R) potensiometer) kemudian diplot pada kurva perbedaan fasa dimana R sebagai sebagai sumbu-y dan jarak dari titik acuan (x) sebagai sumbu-x. Lebar anomali (yaitu: jarak antara titik potong dengan medan elektromagnetik normal=medan primer) sebanding dengan dua kali kedalaman (h) sisi atas benda konduktif dari permukaan tanah. Anomali melebar terhadap kedalaman, tetapi amplitudonya berkurang. Amplitudo anomaly juga berkurang terhadap keberadaan lubang pada benda konduktif.

Gambar 2.10 Interpretasi data elektromagnetik

Referensi:

Siregar, Plato M. 2010. Slide Kuliah Instrumentasi Meteorologi Bab 8: Metode Elektromagnetik. Prodi Meteorologi, ITB.Mares, Stanislav dkk. 1984. Introduction to Applied Geophysics. D. Reidel Publishing Company, Boston.Metode Elektromagnetik

4