Sensor Curah Hujan

Pranata Ari Baskoro2207100120

Abstrak – Pengukuran curah hujan pada saat ini menggunakan dua metode secara garis besar yaitu metode manual dan automatis. Metode yang dimaksud adalah dalam hal pencatatan (recording) banyaknya curah hujan sepanjang tahun. Metode manual hanya mengandalkan catatan tangan pengamat saja. Metode pencatatan otomatis ada yang memerlukan suplai listrik ke instrumen (yang lebih modern) namun ada juga yang tidak memerlukan listrik.

Perkembangan sensor curah hujan dimulai dari penggunaan penakar curah hujan tipe tipping bucket yang menggunakan reed switch untuk mencatat berapa kali terjadi clock yang kemudian dikalkulasikan oleh rangkaian counter dan dicatat di dalam logger atau ditampilkan di display. Tentu saja instrument seperti itu memiliki kelemahan dan kelemahan tersebut membuat orang mengembangkan curah hujan yang memanfaatkan teknologi sensor pendeteksi objek yang berada di sekeliling instrument atau yang lebih dikenal sebagai proximity sensor.

Pengembangan sensor curah hujan dengan sinar laser dan infra merah tidak lepas dari aplikasi proximity sensor ini. Instrumen sensor curah hujan dengan sinar laser ini lalu diintegrasikan dengan perangkat Digital Signal Processor yang lebih dari sekedar rangkaian IC-IC counter karena memungkinkan integrasi dengan perangkat terkomputerisasi bahkan terhubung ke jaringan. Dengan jaringan ini, data-data curah hujan di-upload ke pusat cuaca secara real time sehingga dengan akses internet data curah hujan tadi dapat kita akses.

Kata kunci: penakar curah hujan, rain gauge, rain gauge sensor, laser precipitation monitor, precipitation optical detector.

1. Pendahuluan

Curah hujan (presipitasi) merupakan salah satu aspek terpenting dalam bidang meteorologi, klimatologi dan geofisika. Dengan data-data yang didapat dari pengukuran curah hujan, kita dapat mengetahui pola cuaca yang terjadi di suatu daerah yang lingkupnya tidak terlalu luas misalnya wilayah kabupaten. Secara umum, alat yang digunakan untuk mengukur curah hujan disebut penakar hujan atau istilah lainnya rain gauge (penakar hujan).

Satuan curah hujan yang umum digunakan oleh Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika adalah millimeter (mm). Jadi jumlah curah hujan yang diukur sebenarnya adalah tebal atau tingginya permukaan air hujan yang menutupi suatu area di permukaan bumi. Curah hujan 1 mm artinya dalam area 1 m 2 (1 meter persegi) pada tempat yang datar tertampung air setinggi 1 mm atau tertampung sebanyak 1 liter atau 1000 ml.

Diperkirakan volume air hujan yang jatuh di seluruh dunia setiap tahunnya adalah sekitar 505.000 km3 dan sekitar 398,000 km3-nya jatuh di lautan. Jika

1

dirata-ratakan, seluruh permukaan daratan di bumi mengalami curah hujan sekitar 1 meter (39 inci) dan di lautan sekitar 1,1 meter (43 inci) [15].

Presipitasi dapat berarti bukan hanya sesuatu yang biasa kita sebut air hujan, namun bisa pula salju, air yang membeku ketika menyentuh daratan, maupun es.

Alat penakar hujan yang sederhana adalah sebuah tabung plastik yang menampung maksimal 25 mm air hujan seperti ilustrasi di samping. Air hujan ditampung di silinder dalam dan silinder luar. Silinder dalam berkapasitas 25 mm sedangkan silinder luar antara 100-200 mm. Jika penuh, maka air akan meluap ke silinder luarnya, lalu isi silinder dalam dibuang dan air hujan di silinder luar diisikan ke dalam silinder 25 mm tadi. Total air hujan di silinder dalam dengan silinder luar yang tercatat adalah curah hujan totalnya. Air hujan di silinder luar dikosongkan dan pengukuran dilanjutkan lagi. Saat musim dingin tiba, corong dan silinder dalam dikeluarkan dan hanya silinder luar yang besar itu yang dibiarkan sehingga salju-salju dapat masuk ke dalamnya. Saat mencapai maksimum, salju dicairkan.

Prinsip dari penakar hujan sederhana ini dapat ditemukan aplikasinya di hampir semua penakar hujan baik yang manual maupun otomatis.

Gambar 1. Penakar hujan sederhana [15]

2. Tipe-tipe Penakar Hujan dan Cara Kerjanya

Secara garis besar, alat penakar hujan terbagi menjadi 2 yaitu:a. Penakar hujan biasa tipe observatorium atau non-recording (pencatatannya manual).b. Penakar hujan otomatis/ penakar hujan yang dapat mencatat sendiri (self-recording).

Penakar hujan yang akan dibahas lebih lanjut di sini adalah penakar hujan otomatis. Penakar hujan otomatis terbagi lagi menjadi 2 tipe yaitu:

a. Penakar hujan otomatis tipe Hellmann yaitu penakar hujan yang menggunakan sistem pelampung (floating).

Cara kerjanya yaitu jika hujan turun, air hujan akan masuk kedalam tabung yang berpelampung melalui corongnya, air yang masuk kedalam tabung mengakibatkan pelampung beserta tangkainya terangkat (naik ke atas). Pada tangkai pelampung terdapat tangkai pena yang bergerak mengikuti tangkai pelampung, gerakan pena akan menggores pias yang diletakkan/digulung pada silinder jam yang dapat berputar dengan sendirinya.

Penunjukkan pena pada pias sesuai dengan jumlah volume air yang masuk ke dalam tabung, apabila pena telah menunjuk angka 10 mm. maka air dalam tabung akan keluar melalui gelas siphon yang bentuknya melengkung

2

Gambar 3. Prinsip kerja penakar hujan tipe Hellmann [1]

Gambar 2. Penakar hujan otomatis tipe Hellmann [1]

Seiring dengan keluarnya air maka pelampung akan turun, dan dengan turunnya pelampung tangkai penapun akan bergerak turun sambil menggores pias berupa garis lurus vertikal. Setelah airnya keluar semua, pena akan berhenti dan akan menunjuk pada angka 0, yang kemudian akan naik lagi apabila ada hujan turun.

Gambar 4. Penakar hujan tipe Tipping Bucket elektrik [1]

b. Penakar hujan otomatis yang menggunakan sistem tipping bucket.Penakar hujan dengan system tipping bucket ada yang dioperasikan

secara mekanis dan ada pula yang elektrik. Penakar hujan di atas hanya menggunakan listrik untuk memanaskan air hujan saat musim dingin sedangkan pencatatannya masih menggunakan sistem mekanis. Model seperti ini mulai digunakan BMG di Indonesia sejak tahun 1976 [1] dan sekarang sudah jarang digunakan lagi. Luas permukaan corong penakar hujan ini 400 Cm2. Silinder jam untuk meletakkan pias, serta perlengkapan bucketnya

3

berada pada satu kotak, dan dapat diangkat keluar dari badan penakar hujan saat penggantian pias. piasnya berskala 50 mm. Pada saat penggantian pias kedudukkan pena tidak perlu dirubah atau diturunkan, sebagaimana halnya pada penakar hujan type Hellman. Dalam pemasangan alat ini, tinggi permukaan corongnya 140 Cm dari permukaan tanah [1]. Cara kerjanya sebagai berikut:

Air hujan akan masuk melalui permukaan corong penakar, kemudian mengalir untuk mengisi salah satu bucket. Setiap jumlah air hujan yang masuk sebanyak 0.5 mm. atau sejumlah 20 ml maka bucket akan berjungkit, dimana bucket yang satunya akan terangkat dan siap untuk menerima air hujan yang akan masuk berikutnya. Pada saat bucket berjungkit maka pena akan menggores pias 0.5 skala (0,5 mm.), pena akan menggores pias dengan gerakan naik ataupun turun. Demikianlah seterusnya bucket akan bergantian berjungkit bila ada air hujan yang masuk, dari goresan pena pada skala pias dapat diketahui jumlah curah hujannya.

Pada umumnya peralatan Automatic Weather Station (AWS) yang kini banyak dioperasikan di Stasiun Meteorologi, perangkat sensor penakar hujannya menggunakan Tipping Bucket. Dimana pada saat bucketnya saling berjungkit, secara elektrik terjadi kontak dan menghasilkan keluaran nilai curah hujan yang displaynya dapat dilihat pada monitor.

Penakar hujan type tipping bucket, nilai curah hujannya tiap bucket berjungkit tidak sama, serta luas permukaan corongnya beragam tegantung dari merk pembuatnya. Jadi dalam kita mengoperasikan penakar hujan jenis tipping bucket, kita harus pula mengetahui secara teliti dasar dari perhitungan

data yang dihasilkannya.

Gambar 5. Penakar hujan tipe Tipping Bucket elektrik [1].

Untuk itu perlu dilakukan pengetesan atau mengkalibrasinya,

dengan cara menuangkan sejumlah air sesuai dengan luas permukaan corong dan nilai curah hujan tiap jungkit / tip bucketnya. Jadi nilai curah hujan 1 mm yang masuk pada luasan permukaan corong yang berbeda, maka volume air yang tertampung pun berbeda contohnya : Masing-masing penakar hujan yang berbeda merk, dan luas permukaan corongnya tersebut, berbeda pula nilai tiap jungkit / tip bucketnya, misalnya ada yang 0,1 mm, 0,2 mm dan 0,5 mm. Sebagai contoh untuk luas corong 200 Cm2 dan nilai tiap jungkit / tip bucket 0.2 mm, maka volume air yang dituangkan 4 Cc akan menjungkitkan bucket sesaat setelah airnya tercurah semua, keadaan ini akan berulang lagi pada giliran bucket berikutnya. Apabila saat air telah dituangkan semua tapi bucketnya belum berjungkit, atau air belum tertuang semua tapi bucketnya telah berjungkit, maka dalam keadaan ini kita harus mengupayakan penyetelan

4

kedudukan tinggi rendahnya penyangga bucket. Upaya ini dilakukan sampai mendapatkan hasil yang benar-benar tepat, sesuai dengan perhitungannya.

3. Pengembangan Penakar Hujan Tipping Bucket Memanfaatkan Sensor

3.1 Tipping bucket rain gauge dengan reed switch

Tipping bucket rain gauge seperti ini terdiri atas:

Sebuah corong untuk mengumpulkan air hujan. Jungkat-jungkit (bucket) yang terkalibrasi dengan baik. Sensor pendeteksi gerakan bucket. Display banyaknya gerakan bucket.

Gambar 6. Bagan tipping bucket rain gauge dengan reed switch [4]

Air hujan yang ditampung corong jatuh ke dalam salah satu sisi jungkat-jungkit. Jungkat-jungkit haruslah dikalibrasi dengan hati-hati agar dapat menahan sampai 0,001 inci air hujan (0,03 mm) sebelum jungkat-jungkit bergerak ke arah lainnya sehingga air hujan tumpah

dan jungkat-jungkit dapat terisi air hujan kembali di sisi yang berlawanan. Setiap kali jungkat-jungkit menyentuh dasar, magnet kecil akan menggerakkan reed switch. Reed switch mengirimkan sinyal ke counter. Counter akan mengalkulasi banyaknya sinyal tadi dikalikan dengan satuan yang telah ditetapkan atau dikalibrasi misalnya satu sinyal atau satu ‘clock’ bernilai 0,2 mm. Banyaknya clock tadi akan disimpan di dalam logger.

Gambar 7. Tipping bucket rain gauge dengan reed switch yang sedang bekerja [7]

Logger adalah sistem pengolah sinyal menjadi data, penyimpan data dan pendistribusi data. Di dalam logger, setiap terjadinya clock dapat juga diprogram agar waktu terjadinya juga dicatat

5

sehingga nantinya hasilnya akan jelas terlihat di grafik history atau dalam database di memori. Penyajian data dapat menggunakan display seven segment, LCD, monitor PC melalui RS232/wireless maupun print-out.

3.2 Optical Precipitation Sensor

1). Precipitation Optical Detector

Cara kerja sensor ini mirip dengan promixity sensor. Proximity sensor mampu mengenali keberadaan suatu objek yang berada di sekitarnya tanpa adanya kontak fisik dengan objek tersebut. Objek tersebut dikenali pula sebagai targetnya. Perbedaan tipe sensor yang digunakan proximity sensor memengaruhi perbedaan targetnya / objek yang bisa dikenalinya pula.

Dalam aplikasi precipitation optical detector ini, proximity sensor mengeluarkan gelombang elektromagnetik dalam bentuk sinar infra merah yang digunakan untuk mengenali objek tetesan air hujan.

Gambar 8. Precipitation optical detector dengan IR

Gambar 9. Cara kerja sensor infra merah mengukur curah hujan

Gambar 10. Sebuah proximity sensor

6

Penakar curah hujan ini memanfaatkan sensor infra red (IR-light barrier) untuk mendeteksi butiran air hujan yang melewati celah yang diaktifkan

Gambar 11. Laser precipitation monitor [8]

cahaya infra red dan selanjutnya dikonversi menjadi besaran intensitas air hujan .Biasa dilengkapi pula dengan Contact Relay (on/off sensor bila ada hujan) dan alat pemanas untuk menghindari pembekuan/salju pada musim dingin. Perkembangannya, sensor infra red tersebut dapat pula membedakan mana yang tetesan air hujan, gumpalan salju atau butiran es.

2). Laser Precipitation Monitoring

Prinsip kerja dari laser precipitation monitoring hampir sama dengan infra red precipitation optical detector hanya saja cahaya yang dikeluarkan adalah sinar laser (gambar 9).

Laser precipitation monitor pada dasarnya adalah sebuah disdrometer. Disdrometer adalah sebuah instrument yang digunakan untuk mengukur distribusi ukuran dari hydrometeor (semua jenis partikel air yang jatuh ke bumi termasuk air hujan, salju, es) [2]. Disdrometer yang menggunakan laser ini mampu membedakan air hujan (deras maupun gerimis), butiran es & gumpalan salju yang diamatinya.

7

Gambar 12. Cara kerja laser mengukur curah hujan [1]

Sinar laser memancarkan gelombang horizontal yang lebar dan dangkal dimana partikel hydrometeor jatuh di antara rentangan sinar

tersebut. Setelah melaluinya, pancaran sinar tadi difokuskan ke sebuah garis photodiode. Photodiode adalah sejenis photodetector yang mampu mengubah cahaya ke dalam arus atau tegangan tergantung dari mode operasinya [10]. Partikel hydrometer yang jatuh di antara area pengukuran (sepanjang rentangan sinar laser tadi) mengakibatkan variasi dalam intensitas radiasi yang terdeteksi. Dengan begitu instrument dapat mengenali partikel apa yang jatuh di rentangan sinar laser tersebut misalnya partikel air hujan, salju dan lain-lain.

Gambar 13. Photodiode [10]

Unit DSP (Digital Signal Processor) dalam disdrometer laser ini akan mengalkulasikan ukuran partikel dan kecepatan partikel serta mengategorikan presipitasi ke dalam beberapa kelas.

Gambar 14. Disdrometer laser dalam cuaca ekstrem

Keunggulan disdrometer yang menggunakan laser ini adalah hasil pengukurannya yang paling akurat, handal untuk segala cuaca (reliable) , hampir tidak memerlukan perawatan instrument lasernya, mempunyai

pengatur temperature, penangkal petir, biaya pengoperasian yang relatif rendah, dapat digunakan untuk pengendalian jarak jauh (remote access) dan real time [17]. Data yang dikumpulkan di logger dapat ditransfer ke

8

PC melalui serial interface. Sering pula disdrometer seperti ini diintegrasikan dengan perangkat meteorologi lainnya seperti sensor kecepatan angin, arah angin, temperature dan kelembapan.

4. Pembahasan

Hal-hal berikut ini harus diperhatikan dalam penggunaan penakar curah hujan agar instrumen dapat berfungsi secara baik:

a. Instrumen penakar hujan harus diletakkan di tempat yang benar-benar rata, datar dan bebas dari getaran yang dapat memengaruhi pembacaan pengukuran. Getaran yang tidak diinginkan dapat menggerakkan jungkat-jungkit yang sangat ringan pada penakar curah hujan tipe tipping bucket sehingga dapat memanipulasi banyaknya clock.

b. Alat penakar hujan seperti tipe tipping bucket, Hellmann maupun tipe lainnya yang memanfaatkan sensor sebaiknya diletakkan di tempat lapang, atau paling tidak, memiliki jarak dengan bangunan terdekat sepanjang satu kali tinggi bangunan tersebut.

c. Penempatan alat penakar hujan di atap bangunan atau di tempat yang sulit dijangkau tidak dianjurkan.

d. Debu dapat menyumbat penakar hujan tipe tipping bucket sehingga harus dibersihkan, sekecil apapun. Debu dapat pula memengaruhi keseimbangan jungkat-jungkit pada penakar hujan tipping bucket.

e. Penakar hujan sebaiknya memiliki pelindung untuk melindungi dari binatang.

f. Penakar hujan sebaiknya secara rutin dikaliberasi.

Gambar 15. Alat kaliberasi penakar hujan yang alirannya diukur dengan presisi flow meter [1].

g. Pada penakar curah hujan tipe tipping bucket, ada hal penting yang harus diperhatikan terutama pada saat terjadi hujan yang sangat deras. Jika hujan terlampau deras, jungkat-jungkit bisa jadi tidak dapat berfungsi dengan baik karena jungkat jungkit dihujani air terus menerus sehingga sulit untuk mengembalikan ke posisi semula. Hal ini menjadi kelemahan penakar curah

hujan tipe tipping bucket.

5. Kesimpulan

Secara garis besar terdapat dua metode pengukuran curah hujan yaitu metode pencatatan manual dan metode pencatatan otomatis.

9

Yang termasuk metode pencatatan otomatis yaitu: metode penakar hujan otomatis tipe Hellmann, tipping bucket dan menggunakan sensor.Tipping bucket rain gauge dengan reed switch dan magnet kecil sebagai konektor ke rangkaian counter-nya merupakan sensor curah hujan paling sederhana.Sensor curah hujan yang lebih modern menggunakan aplikasi proximity sensor. Proximity sensor adalah sensor yang dirancang untuk mengenali objek tertentu yang berada di sekeliliingnya.Laser precipitation monitor dan Precipitation optical detector memiliki cara kerja yang sama namun berbeda dalam medium partikel hidrometeornya. Precipitation optical detector menggunakan pancaran sinar infra merah dimana dalam rentangan radiasi sinar tersebut, hydrometeor akan mengenainya sehingga proximity sensor dapat mendeteksi adanya objek yang melewati medium tersebut dengan mencatat perubahan pancaran sinar ketika objek lewat. Digital Signal Processor akan mengolah dan menganalisis pola-pola tersebut sehingga dapat diidentifikasi mana yang air hujan, mana yang salju dan sebagainya beserta ukuran partikelnya. Hasil identifikasi dikirim ke unit logger dan data disimpan sebagai database curah hujan. Database dapat diakses pula melalui jaringan oleh Pusat Cuaca.Penggunaan proximity sensor dapat mempercepat dan mempermudah ahli meteorologi dalam menganalisis pola cuaca dan membuat ramalan cuaca yang lebih akurat dengan penyajian data yang lebih cepat dan lebih mudah diakses langsung dari pusat cuaca.

Daftar Referensi

[1] Alat ukur curah hujan. http://cocio.co.cc[2] Disdrometer – Wikipedia, the free encyclopedia.

http://en.wikipedia.org/wiki/Disdrometer[3] Electronic Rain Sensor. http://www.edcheung.com/automa/rain.htm[4] How does a tipping bucket work?

http://www.weatherhut.com/site/1298901/LearningCenter/RainGauge.html

[5] Rain gauge – Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Rain_gauge

[6] Snow gauge – Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Snow_gauge

[7] Tipping bucket rain gauges (animation). http://z.about.com/d/weather/1/0/w/0/-/-/Rain-gauge-animation.gif

[8] Laser precipitation monitor. http://www.tjqx.com/UploadFiles/2008825181528427.jpg

[9] Laser precipitation monitor (disdrometer). http://www.thiesclima.com/disdrometer.html

[10] Photodiode – Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode

[11] Capacitive Proximity Sensors – Theory of Operation. http://www.sea.siemens.com/step/pdfs/snrs_3.pdf

10

[12] Tipping bucket rain gauge. http://www.weathershack.com/education/tipping-bucket-rain-gauge.html

[13] How to measure precipitation. http://www.ecokids.ca/pub/eco_info/topics/climate/weather/media/pdf/rain.pdf

[14] Precipitation. http://geography.about.com/od/physicalgeography/a/precipitation.htm

[15] Precipitation (meteorology) - Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Precipitation

[16] Deskripsi Sensor Tipping Bucket. http://www.bmg.go.id/share/dokumen/deskripsisensorlintek.pdf

[17] ParsivelBroshure – Optical Precipitation Sensor. http://www.iihr.uiowa.edu/facilities/Parsivel/ParsivelBroshure.pdf

11