Desain V-Notch [PDF]

Citation preview

DESAIN AWAL SISTEM PENGUKURAN DAN PEMANTAUAN DEBIT AIR PADA SALURAN TERBUKA BERBASIS V-NOTCH WEIR MENGGUNAKAN PRESSURE TRANMITTER Dadang Rustandi Pusat Penelitian Metrologi – LIPI Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, 15314 ,



INTISARI Telah dilakukan desain awal sistem pengukuran dan pemantauan debit air pada saluran terbuka. Sistem tersebut berbasis V-Notch Weir 22,5O dan menggunakan Pressure Transmitter. Hasil pengukuran prototipe weir pada rentang debit 5 – 40 l/min mengasilkan tinggi muka air 3,6 – 8,4 cm yang identik dengan tekanan hidrostatik 36 – 84 mmH 2 O. Tinggi muka air pada rentang tersebut dideteksi oleh pressure transmitter menghasilkan hasil ukur atau luaran berupa sinyal arus listrik 4 – 20 mA dc. Luaran transmitter tersebut kemudian dikirim ke remote terminal unit (RTU) untuk diolah dan ditransmisikan ke instrumen pemantau lainnya. Konfigurasi sistem dan data yang diperoleh dijadikan acuan dasar bagi pembangunan sistem tersebut. Kata Kunci : desain, rancangan, pengukuran, pemantauan, aliran, saluran terbuka, V-Notch weir, pressure transmitter. ABSTRACT Has performed the initial design of the measuring and monitoring of the water flow in open channel system. The system is based on the V-Notch Weir 22,5O and using the Pressure Transmitter. he results of measurements on the discharge range 5 - 40 l / min resulted in water levels from 3.6 to 8.4 cm which is identical to the hydrostatic pressure of 36-84 mmH 2 O. The water level of the range is detected by the pressure transmitter produces results or output in the form of an electric current signal 4-20 mA dc. The output of the transmitter is then sent to a remote terminal unit (RTU) to be processed and transmitted to other monitoring instruments. Configuration of system and data obtained as a reference basis for the development of the system. Keywords: design, measurement, monitoring, flow, open channel, V-Notch weir, pressure transmitter.



1. PENDAHULUAN Air menjadi kebutuhan pokok bagi kelangsungan hidup manusia dan makhlukmakhluk alinnya. Kehidupan di dunia tidak dapat terlepas dari air. Kebutuhan air terus meningkat, baik kualitas maupun kuantitas seiring bertambahnya waktu. Ketatalaksanaan, masyarakat dunia telah menyadari bahwa pengelolaan SDA harus dilakukan secara menyeluruh dan terpadu dengan pendekatan Wilayah Sungai, yang



dikenal dengan Integrated Water Resources Management (Prinsip IWRM). Di Indonesia, hal ini telah cakupan pengelolaan SDA yang meliputi: perencanaan, pelaksanaan konstruksi, operasi dan pemeliharan dalam rangka upaya konservasi



SDA,



pendayagunaan SDA, pengendalian daya rusak air pada wilayah sungai, pemberdayaan dan partisipasi masyarakat serta pemanfaatan sistem informasi. [1] Salah satu permasalahan yang ada adalah adanya keterbatasan data dan informasi sumber daya air. Jaringan pemantauan kondisi hidrologi yang seharusnya menjadi sarana penyedia informasi penting tentang ketersediaan dan kondisi air baik untuk keperluan perencanaan dan pengeloaan SDA, nampaknya juga belum memperoleh perhatian yang cukup memadai baik dari segi kerapatan jumlah stasiun pemantaunya maupun jenis jaringannya, organisasi dan personilnya, dan kesinambungan sumber pendanaannya. Keterbatasan dan ketidak akuratan data dan informasi SDA juga disebabkan karena belum terbangunnya jejaring antar para pengamat hidrologi yang ada di berbagai instansi.[2] Dalam upaya berpatisipasi dalam pengelolaan SDA khususnya dalam penyediaan sarana pengumpulan data informasi mengenai kuantitas air, telah dilakukan desain awal sistem pengukuran dan pemantauan debit air dalam saluran terbuka berbasis weir menggunakan pressure transmitter yang difungsikan sebagai pengukur tinggi muka air (level). Makalah ini bermaksud menyampaikan gagasan mengenai rancangan awal sistem pengukuran dan pemantauan debit pada saluran terbuka berbasis pada peformansi prototipe weir yang telah dibuat yang dijadikan dasar bagi simulasi data pengukuran dengan menggunakan pressure transmitter.



1. TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI Dalam pola pengelolaan sumber daya air dan pendayagunaannya sebagaimana dimaksud pada PPRI No.42 Tahun 2008 yang merupakan kerangka dasar dalam merencanakan, melaksanakan, memantau, dan mengevaluasi kegiatan konservasi sumber daya air, pendayagunaan sumber daya air, dan pengendalian daya rusak air[3], pada tingkat operasional yang paling bawah perlu ditunjang dengan sistem pengukuran dan pemantauan debit guna membantu pengambilan keputusan bagi yang berkepentingan. Pengukuran dan pemantauan debit air permukaan pada saluran terbuka dapat dilakukan dengan menggunakan metoda weir yang diintegrasikan dengan instrumen pengukur tinggi muka air yang dapat mentransmisikan hasil pengukurannya.



2.1 Prinsip dasar weir. Prinsip dasar pengukuran debit air dengan menggunakan weir adalah besar kecilnya aliran air yang mengalir melalui weir mempengaruhi tinggi rendahnya tinggi muka air yang terdapat di bagian hulu weir. Dengan demikian debit dapat diukur dengan mengukur tinggi muka air yang umumnya dinotasikan dengan h.



Gambar 1. Prinsip dasar[4] dan Protoyipe V-Notch Weir 22,5o (tanpa Pressure Transmitter)



Salah satu jenis weir yang sering digunakan pada debit yang rendah adalah V-Notch Weir, sebagaimana terlihat pada Gambar 1. Pada jenis weir tersebut, hubungan debit (Q) dengan tinggi muka air (h), dinyatakan dengan persamaan berikut: [5],[6],[7],[8],[9]



Q ideal = C d



5/2



………. (1)



Dengan notasi lain sebagai berikut: Q ideal = C d 8/15 (2g)0.5



2.5



………. (2)



di mana Q ideal adalah debit dalam m3, C d adalah coefficient discharge, g adalah percepatan gravitasi dalam m/s2,



adalah susdut V-Notch Weir dalam derajat dan h adalah tinggi



muka air pada weir dalam m (meter).



2.1 Pressure Transmitter Informasi yang dihasilkan dari pengukuran debit dengan menggunakan weir dapat dikirimkan ketempat lain yang berjauhan letaknya dari lokasi pengukuran



dengan



menggunakan pressure transmitter yang berfungsi sebagai pengukur tinggi muka air. Besar kecilnya debit (Q) menimbulkan tinggi rendahnya muka air (h) pada weir. Tinggi rendahnya muka air menimbulkan tinggi rendahnya tekanan hidrostatik (P) pada titik tertentu. Hubungan Q dan h dapat dinyatakan sebagai berikut:



Q =(h – h min)/span h x span Q + Q min ............ (3)



Sedangkan hubungan h dengan P dinyatakan sebagai berikut:



P =(h – h min)/span h x span P + P min ............ (3)



Tekanan hidrostatik tersebut dapat diukur oleh pressure transmitter dengan mengeluarkan hasil ukur berupa arus pada rentang luaran (output) 4 – 20 mA. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa pada saat debit minimum transmitter akan mengeluarkan 4 mA dan pada saat debit maksimum akan mengeluarkan 20 mA. Karena debit sudah diwakili oleh tinggi muka air (h), maka hubungan input-output pada transmitter dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:



Output transmitter =(h-h min)/span h x16 + 4 ................ (4)



Gambar 2. Pressure Transmitter dengan sensor diaphragm capsul. (Rosemount)



3. METODE PENELITIAN Desain sistem pengukuran dan pemantauan debit air dalam saluran terbuka berbasis weir dengan menggunakan pressure transmitter diawali dengan mencermati dan memanfaatkan hasil uji peformansi pengukuran lokal dari prototipe V-Notch Weir 22,5o. Hasil pengukuran tersebut agar dapat dipantau baik lokal maupun jarak jauh , weir tersebut diintegrasikan dengan instrumen yang dapat mentranmisikan hasilpengukurnya. Debit yang diukur oleh weir secara lokal melalui pengukuran tinggi muka air, kemudian tinggi muka air tersebut dideteksi oleh pressure transmitter dan sinyal keluarannya tersebut ditransmisikan ke instrumen lain berupa remote terminal unit (RTU).



4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.



Konfigurasi sistem Gambar 3 memperlihatkan desain konfigurasi sistem pengukuran dan pemantauan



debit air pada saluran terbuka. Debit diukur oleh V-Notch Weir yang direpresentasikan oleh nilai tinggi muka air (h). Tinggi muka air tersebut menimbulkan tekanan hidrostatis (P), kemudian tekanan hidrostatis tersebut diukur oleh pressure transmitter. Pengukuran oleh pressure transmitter menghasilkan sinyal luaran (output) berupa arus listrik 4 – 20 mA dc. Sinyal luaran tersebut selanjutnya dikirim ke remote terminal unit (RTU) untuk didisplaikan dan atau dikirimkan ke stasiun pusat pemantauan.



RT U



4 – 20 mA



Pressure



Gambar 3. Desain konfigurasi sistem pengukuran dan pemamtauan debit air pada saluran terbuka.



Tabel 1 menyajikan data simulasi pengukuran. Debit mulai dari 5 liter/menit sampai dengan 40 liter/menit diukur oleh prototipe V-Notch Weir 22,5o mengasilkan tinggi muka air (h) muali dari 36 cm sampai dengan 84 cm. Dengan mensubtitusikan nilai h tersebut ke dalam persamaan (2) dengan nilai coeffisien discharge (C d ) 0,726 diperoleh debit kalkulasi (Q kalkulasi ) berkisar dari 5,03 sampai dengan 41,86 liter/menit. Pada kondisi tersebut nilai ideal luara pressure transmitter pada rentang 4 - 20 mA. Selanjutnya data tersebut diolah oleh RTU. Grafik/kurva data simulasi pengukuran sebagaimana terlihat pada Gambar 4. Kurva tinggi muka air diperoleh dari hasil pengujian prototipe V-Notch Weir 22,5o, terlihat ada penyimpangan dari garis linier (kurva ideal). Kurva debit prediksi adalah kurva yang dihasilkan dari hasil perhitungan debit dengan menggunakan persamaan (2) dengan nilai coeffisient discharge 0,726. Kurva tersebut terlihat linier dengan sedikit deviasi. Kurva output level (pressure) transmitter memperlihatkan kurva yang linier dan ideal, kurva tersebut menggambarkan hubungan antara debit dengan output pressure transmitter sebagaimana diperlihatkan pada persamaan (4). Pada tabel tersebut belum menyajikan berapa besarnya penyimpangan yang ada, karena tabel tersebut bersifat simulasi yang menggambarkan hubungan antara debit (Q) dengan tinggi muka air (h) atau tekanan hidrostatis (P) dan dengan output pressure transmitter.



Gambar 4. Grafik data simulasi pengukuran.



Tabel 1. Data hasil simulasi



5. KESIMPULAN Desain awal ini menghasilkan suatu konfigurasi pengukuran dan pemantauan debit pada saluran terbuka dengan menggunakan V-Notch Weir 22,5o sebagai basis pengukuran



dan pressure transmitter sebagai instrumen pertama untuk keperluan pemantauan. Data awal pengukuran diperoleh dari data uji peformansi prototipe pengukur debit berupa data tinggi muka air yang hanya bisa dibaca secara lokal. Dengan penambahan instrumen pressure transmitter maka hasil pengukuran dimungkinkan dapat dibaca dan dipantau secara remote. Data yang diperoleh sebagaimana yang tersaji di atas, merupakan data acuan awal yang dapat dijadikan referensi pada saat sistem pengukuran tersebut dibangun. Ketelitian pengukuran dengan metoda ini selain ditentukan oleh kualitas dari konstruksi weir juga oleh ketelitian dari pressure transmitter. Khususnya untuk desain ini pressure transmitter yang dibutuhkan harus mampu mengukur pada rentang 0 – 100 mmH2 O atau tinggi muka air 0 -10 cm.



6. UCAPAN TERIMA KASIH Tulisan ini merupakan salah satu hasil dari kegiatan penelitian kompeitif untuk itu kami mengucapkan terima kasih kepada pengelola Program Kompetitif LIPI tahun 2015 subprogram Ketahanan dan Daya Saing Wilayah dan Masyarakat Pesisir yang telah mendanai penelitian ini. Terima kasih juga kepada Peneliti Kepala dan seluruh anggota Tim Penelitian Implementasi Sistem Pemantauan, Pengolahan dan Distribusi Air Bersih Untuk PDAM yang mempunyai kontribusi terhadap terbitnya tulisan ini, serta kepada Pimpinan PDAM Muntok Bangka Barat beserta jajarannya yang telah memberikan dukungannya pada saat penelitian lapangan.



7. DAFTAR PUSTAKA [1] In Harmonia Progressio, Teknik dan Pengelolaan Sumber Daya Air, ITB. http://www.tpsda.itb.ac.id/. Diunduh 07 April 2016. [2] Kebijakan dan Strategi Pengelolaan SDA di Indonesia - Makalah LIPI, hal 15. [3] Peraturan Pemerintah RI No.42 Tahun 2008, tentang Pengelolaan SDA [4] Wastewater Treatment Plant Design, Chapter 02 - Preliminary Treatment. http://www.defence.gov.au/jlc/documents/dscc/adf health manual vol 20, part8,chp2.pdf. Di unduh, 16 April 2015. [5] Calibration of Weir, http://itll.colorado.edu/modular_experiment_dirmodules/Weirs/CVEN_Weir Lab.pdf. Diunduh Februari 2016. [6] Annual Book of American Society For Testing And Materials (ASTM), Standards Water and Environmental Technology, Part 31, Water, Philadelphia, PA. (1980)



HASIL DISKUSI -



Penanya



: Maharani (P2 Metrologi LIPI)



Pertanyaan



: Apakah bisa digunakan untuk saluran yang berbentuk selain V, misal U atau O? : Bisa untuk kanal terbuka. Weir ada beberapa seperti square, trapezium, kombinasi V dengan trapezium. Aplikasinya pada tinggi permukaan air. Karena ini skala lab, maka digunakan V karena popular dipakai. Untuk kanal tertutup harus menggunakan metode lain.



Jawab



-



-



-



Penanya



: Arfan (P2 Metrologi LIPI)



Pertanyaan Jawab



: Bagaimana dengan perhitungan ketidakpastiannya? : Ke depannya akan dilakukan perhitungan ketidakpastian.



Penanya



: Veny (P2 Metrologi LIPI)



Pertanyaan Jawab



: Debit air berubah setiap waktu dan lumayan signifikan. Apakah perhitungan ini tetap berlaku atau tidak? : Debit berubah-ubah persamaan tetap berlaku.



Penanya



: Asep (P2 Metrologi LIPI)



Pertanyaan Jawab



: Adakah batasan debit air yang terukur oleh alat ukur ini? : Batasannya adalah 0 – 84,9 liter/menit. Pengujian dilakukan di 40 liter/menit karena keterbatasan alat ukur referensi.