mengukur arus (adcp)
Post on 10-Dec-2015
26 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
1
BAB II
DASAR TEORI DAN METODE
Teknik Pengukuran
Teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi sedimen
tersuspensi yaitu mekanik (trap sampler, bottle sampler), optik (optical beam
transmissometer, optical backscatter), dan akustik (ADCP). Teknologi mekanik
merupakan metode pengukuran yang paling terandalkan. Kelemahan teknologi ini
adalah kemampuan pengambilan dan pengolahan data membutuhkan waktu yang
lama. Pengukuran dilakukan dengan mengambil contoh air yang mengandung
sedimen. Instrumen yang menggunakan teknologi akustik dan optik merupakan
pengukuran konsentrasi sedimen tersuspensi secara tak langsung. Penggunaan kedua
metode ini harus dikalibrasi dengan menggunakan teknologi mekanik untuk estimasi
konsentrasi sedimen tersuspensi. Teknologi akustik memiliki keunggulan dibanding
teknologi lainnya. Keunggulannya yaitu resolusi spasial serta temporal yang
dihasilkan jauh lebih baik dibanding teknologi lainnya dan penggunaannya tidak
mengganggu pergerakan air.
Prinsip Kerja Instrumen
ADCP mengukur kecepatan arus dengan memancarkan gelombang akustik.
Gelombang akustik tersebut bergerak di medium air. Kemudian ADCP merekam
frekuensi dan intensitas pantulan balik dari partikel-partikel pemantul (scatterers)
yang tersuspensi di dalam air. Partikel-partikel tersebut diasumsikan bergerak dengan
kecepatan yang sama dengan arus (Gambar 2.2) (RD Instruments, 1996). Pergerakan
partikel-partikel mendekati atau menjauhi transduser ADCP menyebabkan perubahan
frekuensi. Perubahan frekuensi ini yang digunakan untuk menghitung kecepatan
partikel.
ADCP merekam data kecepatan dan intensitas pantulan balik setiap lapisan air
yang dinamakan bin. Sedangkan kolom pengukuran disebut ensemble (Gordon, 1996).
Ketebalan bin Δd diatur oleh selang waktu Δt dan ukuran bin dapat diatur ADCP
2
(Gambar 2.3). Satu ensemble terdiri atas rekaman satu atau rata-rata beberapa ping.
Pada tugas akhir ini, ketebalan bin dan ensemble yaitu 0,5 m dan 1 detik.
Gambar 2.1 Acoustic Doppler Current Profiler 600 kHz (Simpson, 2001)
Gambar 2.2 Perambatan gelombang akustik
(dimodifikasi dari Simpson, 2001)
Gambar 2.3 Proses penggerbangan waktu
(Poerbandono, 2006)
3
Keterandalan Data
Walaupun banyak keunggulan yang dimiliki, ADCP juga memiliki
keterbatasan (Gambar 2.4). Keterbatasan disebabkan terutama sifat fisik gelombang
akustik serta kemampuan transduser dalam mengirim dan menerima gelombang.
Gelombang akustik yang ditembakkan dari transduser membentuk pancaran utama
dan pancaran sisi. Kedudukan transduser miring membentuk sudut sebesar 20°
terhadap sumbu vertikal. Pancaran sisi akan sampai di dasar perairan terlebih dahulu,
sehingga bin terbawah akan terjadi interferensi gelombang (Simpson, 2001).
Gambar 2.4 Keterbatasan ADCP
(Poerbandono, 2006)
Saat awal pengukuran, letak bin harus direduksi terhadap muka air karena
kedudukan transduser berada di bawah muka air. Selain itu, setiap kali memancarkan
gelombang akustik, transduser membutuhkan waktu untuk menerima intensitas
akustik pada lapisan air yang terdekat (recovery time). Koreksi yang diberikan yaitu
transducer near field correction.
Nilai intensitas pantulan balik sebanding dengan konsentrasi material
pemantul. Oleh sebab itu, data intensitas pantulan balik merupakan informasi
kualitatif yang sangat berharga untuk estimasi konsentrasi sedimen tersuspensi. Saat
ini telah banyak dikembangkan persamaan / model untuk mengubah intensitas
pantulan balik menjadi konsentrasi absolut sedimen tersuspensi. Besaran absolut
konsentrasi sedimen tersuspensi dapat diperoleh jika pemodelan sifat perambatan
gelombang akustik dan sifat fisik sedimen tersuspensi diketahui.
4
Sifat perambatan gelombang akustik yang perlu dikenali adalah mekanisme
kehilangan intensitas akustik (Transmission Losses) karena sebaran geometrik
(Geometrical Spreading) dan pelemahan akustik (Acoustic Attenuation). Geometrical
Spreading atau Beam Spreading (BS) disebabkan gelombang akustik yang
dipancarkan dari sumber akan menyebar ke segala arah. Bidang sebaran gelombang
semakin membesar, sedangkan energi yang dipancarkan tetap. Besarnya nilai Beam
Spreading untuk 2 kali perambatan gelombang yaitu:
BS 20 Log (R) ……….….…………………..(1)
dengan, R merupakan jarak miring (slant distance) sumber gelombang (m)
merupakan transducer near field correction (Downing et al., 1995).
Gelombang akustik merambat pada medium air akan mengalami pelemahan
energi. Energi yang dipancarkan sebagian diubah menjadi panas. Oleh karena itu,
nilai intensitas pantulan balik juga harus dikoreksi karena adanya Absorpsi (A).
Persamaan Absorpsi untuk 2 kali perambatan gelombang akustik yang digunakan (RD
Instruments, 1996) yaitu:
A 2R ..........................................................(2)
dengan, merupakan koefisien pelemahan energi (Attenuation).
Pada tugas akhir ini, nilai koefisien pelemahan energi yang digunakan pada saat
pengukuran yaitu 0,139 dB/m.
Model matematika yang digunakan untuk memperoleh intensitas pantulan
balik (EI), yaitu:
EI SL 2.TL TS .................................................(3)
dengan, SL merupakan intensitas akustik pada saat dipancarkan oleh transducer
TL merupakan mekanisme kehilangan intensitas akustik
TS merupakan kekuatan target
5
Nilai kekuatan target (Target Strength) berkaitan sifat fisik, struktur internal maupun
eksternal objek, dan karakteristik sinyal yang dipancarkan. Untuk memperoleh
kekuatan target diperlukan analisis ukuran partikel (grain size analysis). Analisis
ukuran partikel dilakukan untuk mengetahui ukuran, bentuk serta jenis partikel. Oleh
karena itu, kekuatan target diabaikan.
EI SL 2.TL ....................................................(4)
atau EI SL BS A ..................................................(5)
Persamaan Empirik untuk Estimasi Konsentrasi Sedimen Tersuspensi
Data intensitas pantulan balik dalam dB merupakan nilai relatif konsentrasi
sedimen tersuspensi. Untuk memperoleh nilai absolut konsentrasi sedimen tersuspensi
dalam kg/m³, maka harus dilakukan konversi dengan persamaan (pendekatan)
tertentu. Untuk memperoleh konsentrasi sedimen tersuspensi, persamaan empirik
yang digunakan pada tugas akhir ini yaitu Gartner (2002):
10 log(c) a.EI b ................................................(6)
Konstanta a dan b dari persamaan empirik Gartner (2002) diperoleh dengan
melakukan regresi linier. Kalibrasi dilakukan terhadap sampel sedimen tersuspensi
yang diperoleh di lapangan (direct sampling). Pengambilan sampel sedimen
tersuspensi menggunakan water sampler. Pada saat pengambilan sampel sedimen
tersuspensi, water sampler harus terletak pada kedalaman yang sama dengan
kedalaman bin yang diamati (Gambar 2.5).
Untuk merepresentasikan konsentrasi sedimen tersuspensi pada suatu kolom
pengukuran, maka digunakan konsentrasi rata-rata terbobot (Wall et al., 2006), yaitu:
crata 2
n
ciui
i 1 ...........................................................(7)n
ui i 1
A e u
6
dengan, crata 2
ci
ui
merupakan konsentrasi rata-rata sedimen tersuspensi
merupakan konsentrasi sedimen tersuspensi setiap bin
merupakan kecepatan arus setiap bin
Gambar 2.5 Proses kalibrasi menggunakan ADCP dan water sampler
(dimodifikasi dari Wall et al., 2006)
Teknik Evaluasi
Untuk uji kualitas hasil estimasi, konsentrasi sedimen tersuspensi yang
diperoleh dari persamaan empirik Gartner (2002) dibandingkan dengan sampel
konsentrasi sedimen tersuspensi. Hasil evaluasi dinyatakan dalam kesalahan rata-rata
absolut (kg/m³), kesalahan rata-rata relatif (%), dan tingkat kesesuaian / discrepancy
factor. Kesalahan rata-rata absolut merupakan nilai rata-rata simpangan antara
konsentrasi sedimen tersuspensi hasil estimasi
tersuspensi hasil direct sampling (cu ) .
(ce ) dan konsentrasi sedimen
k 1
c c n ........................................................(8)
Kesalahan rata-rata relatif dinyatakan dalam nilai rata-rata simpangan konsentrasi
sedimen tersuspensi hasil estimasi(ce ) dan konsentrasi sedimen tersuspensi hasil
7
ce cu
direct sampling terhadap nilai yang dianggap benar. Konsentrasi sedimen
tersuspensi hasil direct sampling merupakan nilai yang dianggap benar.
k 1
Rn c 100% ..................................................(9)
Tingkat kesesuaian / discrepancy factor (rf ) merupakan kemampuan persamaan
empirik yang digunakan untuk memprediksi nilai konsentrasi yang dihasilkan (ce )
terhadap nilai konsentrasi sedimen tersuspensi yang diperoleh dari direct sampling
(cu ) (Poerbandono, 2003).
r ce ..............................................................(10)
fcu
Estimasi Laju Angkutan dan Debit Sedimen Tersuspensi
Laju angkutan sedimen tersuspensi ( qZ ) menyatakan banyaknya massa
sedimen yang melewati suatu penampang setiap detik. Jika konsentrasi sedimen
tersuspensi dan kecepatan arus diketahui, maka laju angkutan sedimen dapat dihitung.
Laju angkutan sedimen tersuspensi di satu titik pengamatan ditentukan sebagai
produk (perkalian) antara konsentrasi sedimen tersuspensi dengan kecepatan arus di
titik tersebut.
qZ u(z).c(z) ........................................................(11)
Untuk laju angkutan rata-rata sedimen tersuspensi, yaitu:
qrata 2 crata 2 .u .......................................................(12)
u
h 2
8
muka air
b
dasar perairan
1 n 1 1u
i 1ui ui 1 zi 1 zi .............................................(13)
dengan, h merupakan kedalaman perairan
z merupakan tinggi pengukuran
Estimasi debit sedimen tersuspensi (QS ) pada suatu penampang diperoleh dari
perkalian laju angkutan (q )Z terhadap luas penampang pengukuran (Gambar 2.6).
b n1S Z
Q q0 1
dzdb ………….…...……………..(14)
dengan, q merupakan laju angkutan rata-rata antar binZ
z merupakan ketinggian pengukuran
b merupakan lebar penampang
Profil debit sedimen
z
Gambar 2.6 Skema estimasi debit sedimen pada suatu penampang
top related