7 PENGUKURAN JARAK ELEKTRONIK (PJE) Pada pengukuran jarak secara langsung, jarak – jarak yang relatif jauh dan menuntut ketelitian yang tinggi akan membutuhkan waktu yang lebih lama dan biaya yang besar. Oleh karenannya orang membuat alat pengukur jarak tak langsung dengan ketelitian yang tinggi dan jangkauan yang cukup jauh, dengan menggunakan prinsip perambatan gelombang elektromagnetik. Metode pengukuran jarak ini disebut electronic distance measurement dan alatnya dinamakan Electronic Distance Meter atau EDM. EDM dapat dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu tipe yang menggunakan gelombang mikro atau gelombang radio, disebut Microwave Distance Measurement (MDM), dan tipe yang menggunakan gelombang cahaya, disebut Electroopic Distance Measurement (EDM). Gambar 7.1 Wild DI-20 Pada umumnya tipe MDM mempunyai kemampuan jangkau yang cukup jauh, hingga beberapa puluh kilometer, dengan pemantul atau reflektor aktif, sedangkan tipe EDM mempunyai jarak jangkauan yang lebih pendek, dari beberapa puluh meter sampai beberapa kilometer dan menggunakan reflektor pasif, sehingga EDM lebih cocok untuk pengukuran-pengukuran yang relatif pendek yang umumnya berkaitan dengan survei rekayasa. Tipe EDM bentuknya kecil dan ringan, sehingga dapat dipasang di atas teodolit sehingga pengukuran sudut dan jarak dapat dilakukan bersama-sama sebagaimana takheometer biasa. Tipe EDM dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: 1. Menggunakan gelombang cahya tampak, yang mempunyai panjang gelombang 3,6 x 10-7 – 7,8 x 10-7 m. 2. Menggunakan gelombang infra merah, yang mempunyai panjang gelombang 7,8 x 10-7 – 3,4 x 10-4 m. 3. Menggunakan sinar LASER (Light Amplification through Simulated Emition of Radition)
7.1. SEJARAH SINGKAT Dibandingkan dengan pengukuran jarak langsung dengan pita ukur, pegas ukur dan yang lain, pengukuran jarak elektronik tergolong masih baru. Hal ini erat kaitannya dengan perkembangan teknologi elektronika. Pemakaian secara umum dan boleh dikatakan murah, baru dimulai sekitar tahun 1970-an.
Penemuan pertama PJE dengan sinar tampak atau cahaya, berkaitan dengan seorang ilmuwan bangsa Swedia bernama E. Bergstrand. Beliau adalah orang yang pertama kali mendesain geodimeter yang merupakan kependekan dari geodetic distance meter untuk keperluan perhitungan kecepatan cahaya pada tahun 1943. Geodimeter NASM-2 baru digunakan secara komersial pada tahun 1950, yang diproduksi oleh pabrik kimia AGA di Swedia. Dengan geodimeter pertama ini, jarak yang jauh hanya dapat diukur pada malam hari. Tetapi pada saat sekarang, geodimeter model 600 dan B sudah dipakai secara luas di dunia untuk mengukur jarak yang jauh (long range) dalam survei geodesi. Tipe MDM pertama dibuat oleh T.L. Wadley pada Institute of Telecommunication Research di Afrika Selatan pada tahun 1954. Pada tahun 1957, alat ini dipublikasikan dengan nama telurometer. Telurometer memiliki jarak jangkau yang lebih jauh daripada jarak jangkau geodimeter dan dipakai secara luas di dunia sampai diperkenalkannya PJE jarak pendek dengan sinar LASER pada tahun 1960-an Prototipe pertama dari PJE jarak pendek (berkaitan dengan ditemukannya diode pendar) muncul pada dekade 1960-an (telorometer MA-100 tahun 1965, Zeiss SM-11 pada tahun 1967). Alatalat ukur tersebut baru dipasarkan secara bebas pada tahun 1968 untuk Wild/Secrel Distomat DI-10, tahun 1969 untuk telurometer MA-100, dan tahun 1970 untuk Zeiss SM-11. PJE jarak pendek dengan sinar infra merah sekarang berkembang pesat dan banyak digunakan dalam berbagai survei, sedangkan yang jarak jauh hanya digunakan dalam survei kerangka geodesi. Alat ukur PJE yang paling teliti hingga saat kini bernama mekometer dibuat oleh K.D. Froome dan R.H. Bradsell pada tahun 1961 di Laboratorium Fisika Nasional Tedington (U.K.) dan baru dipasarkan pada awal 1973. Pada jarak pendek, ketelitian alat mencapai 0,2 mm.
Gambar 7.3. Nikon ND-30 dan 31
7.2. GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Gelombang elektromagnetik adalah tenaga yang dipancarkan, berupa getaran medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang bebas. Gelombang elektromagnetik ini bersifat periodik dan berbentuk sinusoide. Hubungan antara frekuensi dan panjang gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
= ..............................................................................................................
(7.1)
f = ...............................................................................................................
(7.2)
c=
(7.3)
..............................................................................................................
Dalam hal ini: : Panjang gelombang f : Frekuensi c : Kecepatan rambat gelombang dalam suatu medium, didasarkan pada cahaya dalam medium Co : Kecepatan rambat gelombang cahaya dalam ruang hampa (299.792,5 0,4 km/detik) yang telah disepakati bersama pada sidang XII International Scientific Radio Union tahun 1957, yang kemudian diterima oleh International Union for Geodesy and Geophysic dan kemudian diperbaharui pada tahun 1975 menjadi 299.792.485 1,2 m/detik, dengan simpangan baku 0,004 p.p.m. u : Indeks refraksi medium. Radiasi atau rambat gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan dengan gambar dan rumus sebagai berikut:
= =
..................................................................................................... .....................................................................................................
(7.5) (7.6)
Keterangan : A : Amplitudo : Kecepatan sudut : Frekuensi gelombang cahaya : Waktu rambat : Sudut fase Posisi partikel pada gelombang dengan beda fase dapat dinyatakan dengan : Y = A sin ............................................................................... (7.6.a) = A sin ............................................................................... (7.6.b) Dalam hal ini: : Beda fase : Beda waktu Efek beda waktu diilustrasikan pada Gambar 7.5 di atas. Selanjutnya beda fase dapat dinyatakan dalam beda waktu : = .............................................................................................. (7.7) = .............................................................................................. (7.8)
7.3. SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya, spketrum gelombang elektromagnetik yang lazim digunakan untuk mengukuran jarak ada sembilan jenis, dari cahaya tampak sampai gelombang frekuensi rendah. Secara keseluruhan spektrum gelombang tersebut dapat disajikan dalam Tabel 7.1.
Gambar 7.6. Kem DM.502 dengan mini komputer
Macam Gelombang Radiasi Sinar X Ultraviolet Sinar tampak Inframerah Gelombang Radio Ekstra tinggi EHF Super tinggi SHF Ultra tinggi UHF Televisi Sangat tinggi VHF FM Broadcasting Tinggi HF Gelombang Pendek Medium MF AM Broadcasting Rendah Gelombang panjang Sangat rendah VLF Ekstra rendah ELF
Pajang Gelombang (m)
Frekuensi (Hz)
1,6.10-11 – 6,6.10-8 1,4.10-8 – 3,6.10-7 3,6.10-7 – 7,8.10-7 7,8.10-7 - 3,4.10-4
1,9.1019 – 4,5.1015 2,2.1016 – 8,3.1014 8,3.1014 – 3,8.1014 3,8.1014 – 8,8.1011
10-3 – 10-2 10-2 – 10-1 10-1 – 1
3.1010 – 3.1011 3.109 – 3.1010 3.108 – 3.109
1 – 10
3.107 – 3.108
10 – 100
3.106 – 3.107
102 – 103
3.105 – 3.106
103 – 104
3.104 – 3.105
104 – 105 105 – 106
3.103 – 3.104 3.102 – 3.103
Spektrum gelombang inframerah dibagi lagi menjadi : Spektrum Gelombang Infra Merah Inframerah dekat Inframerah tengahan Inframerah jauh Inframerah ekstrim
Panjang Gelombang 0,76 – 3,10 3,0 – 6,0 6,0 – 15,0 15,0 –1
Yang tergolong gelombang dengan frekuensi rendah adalah gelombang yang frekuensinya kurang dari 30 MHz. EDM yang menggunakan gelombang jenis ini mempunyai jarak jangkauan yang jauh. Gelombang elektromagnetik dikatakan berfrekuensi tinggi apabila frekuensinya lebih dari 30 MHz. Jangkauan alat EDM yang menggunakan jenis ini menjadi lebih pendek.
7.4 KONSEP DASAR PENGUKURAN JARAK DENGAN GELOMBANG ELKTROMAGNETIK Ada empat metode pengukuran jarak elektronik, yaitu : 1. Metode pulsa 2. Metode beda fase 3. Metode dopler 4. Metode interverometri
Metode yang paling banyak digunakan pada EDM untuk surveying adalah metode beda fase, baik dengan gelombang mikro, sinar tampak maupun inframerah dan laser, sehingga di sini hanya akan dibahas metode beda fase saja. Konsep dasar pengukuran jarak elektronik adalah suatu sinyal gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dari suatu alat yang dipasang pada stasiun di ujung suatu garis yangakan diukur jaraknya (Gambar7.6), kemudian di ujung lain dari garis tersebut dipasang pemantul atau reflektor. Sinyal tersebut dipantulkan kembali ke pemancar, waktu lintas perjalanan sinyal pergi-pulang diukur oleh pemancar. Karena kecepatan sinyal diketahui dengan teliti maka jarak lintasan dapat dihitung dengan rumus: D = ⁄ . t. v ...............................................................................................
(7.9)
Dalam hal ini : D : Jarak garis yang diukur (lintasan) t : Waktu lintasan sinyal pergi-pulang v : Kecepatan sinyal Untuk memahami PJE secara sederhana dapat dianalogikan dengan gelombang yang diakibatkan oleh jatuhnya batu ke dalam kolam air, seperti gambar berikut.
Gambar 7.7. Rambat gelombang air ke tepi kolam Pada gambar di atas, sebuah batu telah dijatuhkan pada kolam air di titik X dan bentuk gelombang merambat dari titik tersebut sampai tepi kolam di titik Y. Terdapat 10 (sepuluh) gelombang penuh dan sebagian gelombang tidak penuh (dalam hal ini gelombang yang tidak penuh adalah ½ panjang gelombang). Jarak antar dua titik yang serupa sama dengan satu panjang gelombang, maka XA = AB = BC .... dst = 1 panjang gelombang. Apabila ditinjau dari formasi gelombangnya, gelombang dikatakan berada dalam fase apabila antara titik awal dan akhir terdapat kelipatan dari gelombang penuh. Dalam kasus tersebut di atas, terdapat bagian gelombang yang tidak penuh antara X dan Y dan formasi gelombang khusus ini dikatakan mempunyai beda fase 0,5 panjang gelombang. Apabila penjalaran gelombang dari X ke Y memerlukan waktu 2,1 detik, maka frekuensi gelombang tersebut adalah: f = 10,5 kali : 2,1 detik = 5 kali/detik Secara teknis gelombang membuat putaran 5 kali per detik. Satuan internasional (SI) untuk frekuensi 1 kali putaran tiap detik dinamakan 1 Hertz (Hz), sehigga gelombang tersebut mempunyai frekuensi 5 Hertz. Jika panjang gelombang tersebut = 0,5 meter, maka jarak XY dapat dihitung: Jarak XY = panjang gelombang x jumlah gelombang = 0,5 m x 10,5 = 5,25 m. Kecepatan menjalar gelombang (v) = jarak (D) : waktu (t) = 5,25 m : 2,1 detik = 2,5 m/dt (ms-1) Memandang masalah di atas dari sudut lain, jarak XY dapat dihitung tanpa harus mengetahui panjang gelombang ( ) dan waktu merambat (t), asal telah diketahui kecepatan rambat
gelombang (v), frekuensi (f) dan banyaknya gelombang (n). Jadi masalahnya “di lapangan” hanya menghitung banyaknya gelombang yang melintas antara X dan Y saja. Contoh: Sebuah batu di jatuhkan ke dalam kolam di titik X dan menimbulkan gelombang yang menjalar pada permukaan air dengan frekuensi (f) 5 Hz dengan kecepatan 2,5 m/dt. Pada saat gelombang sampai pada titik Y (tepi kolam) ternyata terdapat 10,5 gelombang. Hitung jarak XY.
Penyelesaian: Banyaknya gelombang (n) = 10,5 Frekuensi gelombang (f) = 5 Hz Jadi waktu rambat (t)
=
=
= 2,1 dt
Jadi jarak XY
= kecepatan (v) x waktu (t) = 2,5 m/dt x 2,1 dt = 5,25 m Alat pengukur jarak elektronik dapat memisahkan beda fase sampai 1/1000 panjang gelombang. Bagi kebanyakan survei, pengukuran konstruksi (rekayasa), ketelitian 1 cm dapat diterima. Hal ini setara dengan panjang gelombang yang dipakai, yaitu 1000 x 1 cm = 10 m. Pada tabel halaman sebelumnaya akan setara denga frekuensi sebesar 30 MHz. Gelombang frekuensi tinggi untuk transmisi langsung melalui atmosfer dengan alat ukur jarak elektronik kurang sesuai, karena gelombang cenderung melemah dan menyebar serta mengalami interfensi. Gelombang dengan frekuensi sangat tinggi tidak terlalu terpengaruh kondisi yang demikian, dan memang memungkinkan untuk menggabungkan gelombang pengukur frekuensi rendah ke dalam gelombang dengan frekuensi yang lebih tinggi dan memancarkannya bersama-sama. Dalam keadaan yang demikian, gelombang frekuensi tinggi berfungsi sebagai pembawa bagi gelombang frekuensi rendah dan dikatakan dimodulasikan dalam proses ini. Gelombang inframerah dan cahaya tampak (kasat mata) adalah contoh pembawa yang cocok. Dalam bahasa sederhana, gelombang cahaya tampak analog dengan pelat pita baja tipis yang dipakai sebagai bahan pembuat pita ukur, kemudian pita baja tersebut dimodulasikan dengan pembagian skala metrik/feet yang digoreskan padanya, dan membawanya saat pita direntangkan selama pengukuran. 7.4.1. Prinsip Pengukuran Jarak Konsep dasar pengukuran yang telah dibahas di muka, sekarang menjadi prinsip yang pasti. Di sini suatu gelombang elektromagnetik yang telah diketahui frekuensinya (f) dipancarkan ke pemantul atau reflektor, dan dipantulkan kembali ke pemancar. Alat pemancar mampu menghitung jumlah (n) panjang gelombang dengan ketelitian sampai 1/1000 bagian dari panjang gelombang (dengan salah satu cara yang akan dijelaskan kemudian). Nilai n/f dihitung (t) baik secara manual maupun secara otomatis pada alat, dan dikalikan dengan kecepatan standar sinyal di atmosfer (v), hasilnya adalah jarak atau panjang lereng yang diukur. Di muka telah dikemukakan bahwa berdasarkan macam gelombang yang dipakai, pengukuran metode elektronik dapat dibagi menjadi dua sistem, yaitu MDM untuk pengukuran jarak jauh dan EDM untuk pengukuran jarak menengah dan dekat.
7.4.2. Sistem Gelombang Mikro Beberapa pabrik telah memprodukasi alat pengukur jarak elektronik dengan sistem gelombang mikro yang dikenal dengan nama telurometer. Alat ini digunakan untuk pengukuran jarak dari 20 m sampai 150 km dengan ketelitian 3-4 mm per km dengan frekuensi sebesar 15 MHz. Pada alat ini terdapat pemantul sinyal yang bersifat aktif yang disebut remote. Sinyal yang sampai padanya tidak langsung dipantulkan kembali ke pemancar atau master tetapi diperkuat lebih dulu pada remote, baru dipancarkan kembali ke master. Karena jarak antara master dan remote cukup jauh, alat tersebut basanya dilengkapi dengan piranti komunikasi (telepon). Adapun pelaksanaan pengukuran jarak AB adalah sebagai berikut: 1. Alat MDM (master distel pada titik/stasiun A, dan remote di titik B. Keduanya mengadakan kontak via telpon untuk saling mempersiapkan diri. 2. Tombol pengukur diaktifkan, gelombang mikro dengan dengan panjang w1meter dipancarkan ke remote di titik B, yang kemudian dipancarkan kembali ke master. Beda fase yang terjadi akan diukur oleh alat. 3. Panjang gelombang kemudian diubah menjadi w2. Dengan cara yang sama dengan nomor 1 di atas, beda fase diukur lagi. Proses ini diulangi beberapa kali dengan panjang gelombang yang lain. Jumlah pengulangan tergantung pada model alat dan jarak yang diukur. Perubahan panjang gelombang ini dilakukan secara otomatis dan seluruh prosedur kira-kira membutuhkan waktu 30 detik. Selama pengukuran, temperatur dan tekanan udara dicatat. 4. Misal data panjang gelombang dan beda fasenya seperti Tabel 7.2. di bawah. Tabel 7.2. contoh data panjang gelombang dan beda fase Panjang Gelombang Ekivalen untuk perjalanan tunggal Beda fase w1 2 m 1m 0,325 w2 20 m 10 m 0,532 w3 200 m 100 m 0,353 w4 2000 m 1000 m 0,835 Perhitungan : a. Jumlah (n) panjang gelombang Dari tabel di atas jumlah panjang gelombang dengan panjang w1 ( dapat diperkirakan secara berturut-turut. Misal dengan menggunakan panjang gelombang w4 ( dengan beda fase , jumlah gelombang penuh didapat sebagai berikut: = 0,835 Tetapi w4 = 1000 w1, sehingga: x 1000 = 0,835 x 1000 = 835
Jumlah total panjang gelombang (penuh dan parsial) didapat sebagai berikut. 1000 x (0,835) = 835,0 100 x (0,353) = 35,3 10 x (0,532) = 5,32 1x (0,325) = 0,325 Jadi jumlah panjang gelombangnya adalah 835,325 b. Waktu rambat (t) Dari rumus di atas pada analogi gelombang air, waktu rambat untuk satu gelombang adalah: t = n/f =
detik
= 5,574471 x 10-6 detik c. Jarak AB Jarak ganda (bolak-balik) AB dihitung dengan mengalikan waktu rambat (t) dengan kecepatan (v) gelombang melalui atmosfer. Nilai standar v pada suhu 12oC dan tekanan 760 mmHg telah diketahui, yaitu 299708,0 km/dt. Jadi: 2 x AB = (5,574471 x 10-6 x 299708,0 x 1000) m = 1670,650 m AB = ½ x 1670,650 m = 835,325 m Perhitungan tersebut dilakukan secara otomatis dengan alat gelombang mikro yang paling mutakhir dan diperlihatkan secara digital sebagai bilangan dalam 8 digit. Koreksi atmosfer untu suhu 300C dan tekanan 800 mmHg adalah -0,009 m. Jadi: Jarak AB = 835,325 m – 0,009 m = 835,316 m
7.4.3. Sistem Elektro-Optis Berdasar spektrum yang digunakan, sistem elektro-optis dapat dikelompokkan dalam dua kelas, yaitu kelas yang menggunakan sinar tampak/kasat mata (termasuk kategori jarak menengah) dan kelas yang menggunakan sinar inframerah (termasuk kelas jarak pendek). Keduanya memiliki banyak kesamaan. Sinyal pengukur dibawa oleh berkas sinar sempit yang sangat terfokus yang diarahkan secara optis ke sasaran yang jauh dengan teropong yang terdapat didalamnya. Unit PJE jarak pendek dapat dipasang pada teropong teodolit dengan wadah yang khusus dirancang untuk mengarahkan unit PJE tepat searah dengan garis bidik teropong ke mana saja dia diarahkan (Gambar 7.6 dan Gambar 7.9).
Pekerjaan Lapangan 1.
Pemancar dipasang pada salah satu ujung garis yang akan diukur, dan diarahkan secara teliti ke reflektor yang dipasang pada ujung garis yang lain. Sebaliknya reflektor juga diarahkan pada pemancar dengan alat pembidikan terbuka yang ada padanya. Reflektor tunggal digunakan untuk jarak 600 meter. Untuk jarak yang lebih jauh diperlukan susunan tiga, enam atau sembilan buah reflektor.
2.
Sinyal dipancarkan dengan frekuensi yang diketahui ke reflektor, dari sana dikembalikan ke pemancar dan beda fasenya diukur. 3. Frekuensi sinyal diubah secara otomatis oleh alat, dan prosedur pengukuran diulangi lagi sebagaimana di muka (1). Dari padanya banyaknya gelombang dapat ditentukan dan jarak miring akan dapat ditentukan. Kemiringan teropong (bacaan lingkaran vertikal) dan kondisi atmosfer dicatat untuk reduksi menjadi jarak datar dan koreksi hasil ukuran. A.
Alat Jarak Menengah Kelompok ini banyak dikenal sebagai geodimeter. i. Pembangkit sinyal Sumber cahaya adalah lampu 5 volt biasa yang mendapat tenaga dari baterai, untuk pengukuran jarak sampai 5 km disiang hari atau 15 km disaat gelap. Untuk jarak yang lebih jauh sampai 25 km digunakan lampu uap merkuri yang mendapatkan suplai tenaga dari generator. ii. Perhitungan panjang gelombang Beda fase untuk setiap garis yang diukur didapat dari tiga panjang gelombang, tetapi erat sekali kaitannya, frekuensinya sekitar 30 MHz. Panjang gelombang adalah 10 meter. Dengan menggunakan setengah panjang gelombang dihasilkan ekifalen sebesar 5 meter untuk perjalanan satu jurusan. Ketiga panjang gelombang untuk pengukuran adalah: w1 = 5,000 000 m; w2 = 4,987532 m; w3 = 4,761904. Ketiga gelombang ini dipilih sedemikian rupa sehingga: 400 w1 = 401w2 = 2000 m dan 20 w1= 21 w2 = 100m. Dengan panjang gelombang tersebut, misalkan untuk mengukur jarak 835,300 m, dihasilkan beda fase dari masing-masing panjang gelombang: w1 = 0,300; w2 = 2,382 dan w3 = 1,967 Jarak AB = nw1 + w1 ...........................................(a) = nw2 + w2 ...........................................(b) = nw3 + w3 ............................................(c) Dari (a) dan (b): n(w1 – w2) = w2 - w1 Dan karena 400 w1 = 401 w2 w2 = (400/401) w1 Jadi
(
)
Sehingga Nilai ini akan diulangi setiap 2000m. Dari (a) dan (c): n(w1 – w3) = w3 - w1 Karena 20 w1 = 21 w2 w2 = (20/21)w1 Jadi
(
)
Sehingga Maka nilai akan diulangi setiap 100m. Karena itu jumlah total panjang gelombang adalah 835 + = 835,35 m.
B.
Alat Jarak Pendek i. Pembangkit sinyal Semua PJE jarak pendek yang mutakhir memancarkan gelombang pembawa inframerah yang dibangkitkan oleh dioda galium arsenida (GaAs). Panjang gelombang kurang dari 1 mikrometer dan tenaga dipasok dari baterai sel kering nikel-kadmium atau bisa dengan baterai mobil 12 volt. Berkas sinar tidak terlihat dan tidak berbahaya, dan akan menghasilkan jarak yang tepat meskipun dipotong oleh lalu-lintas. ii. Perhitungan panjang gelombang Semua alat PJE kelas ini sepenuhnya otomatis. Banyaknya gelombang dihitung oleh suatu piranti elektromekanis dan jarak mirinf akan ditampilkan secara digital.
Cara Kerja Alat Inframerah Alat Kern D.M. 502 (Gambar 7.6) yang merupakan alat khas dari kelas ini bentuknya kecil, kompak dan ringan (kurang dari 2 kg) dan mudah dipasang pada teodolit melalui per penjepit. Tenaga dicatu dari baterai NiCd yang diikatkan pada statif dan dihubungkan ke unit PJE dengan kabel yang lentur.
Adapun langkah pengukurannya adalah sebagai berikut: 1. Hidupkan tenaga dengan menekan tombol on/off. 2. Arahkan garis bidik teodolit ke posisi reflektor atau pemantul. 3. Stel tombol fungsi ke tanda “ukur” 4. Tekan tombol stater yang bertuliskan “ukur” Maka alat akan mengukur beda fase pada dua frekuensi yang berbeda, dan dengan piranti elektromagnetis secara otomatis akan menghitung jarak miring dan menampilkannya secara digital. Pekerjaan tersebut membutuhkan waktu sekitar 15 detik. Dengan memasukan bacaan sudut miring dari teropong teodolit pada tombol PJE, PJE akan memproses dan menampilkan bacaan dalam jarak datar.
7.5. BEBERAPA KOMPONEN PENTING PADA PJE ELEKTRO-OPTIS PJE elektro-optis pertama (geodimeter NASM-2 buata AGA Swedia) menggunakan komponen elektronik lama seperti lampu tabung (tabung hampa) dan resolver sesuai teknologi saat
itu. Penemuan baru bahan semi konduktor yang menghasilkan light emiting diode (LED), foto diode, transitor dan lain-lain, menggantikan komponen lama. Kemudian terciptanya Integrated Circuit (IC) dan mikro prosesor yang dapat menggantikan satu blok sirkuit elektronik tertentu, menghasilkan EDM jenis baru yang dilengkapi dengan mikro komputer dan program itu untuk melakukan proses elektronik dan hitungan secara otomatis. Beberapa komponen yang penting dalam alat EDM antara lain:
7.5.1. Osilator Kwarts Osilator kwarts adalah suatu piranti atau komponen pembangkit sumber sinyal (gelombang elktromagnetik) yang akan digunakan untuk pengukuran beda fase, yang terdiri dari resistor, kondensator dan transistor. Frekuensi sinyal yang dihasilkan oleh osilator distabilkan dengan kristal kwarts. Sirkuit ini dapat disatukan dengan komponen seperti devider, amplifier dan lainnya dalam satu buah IC.
7.5.2. Light Emiting Diode (LED) LED dalah suatu komponen yang dapat memancarkan sinar cahaya atau sinar inframerah sebagai gelombang pembawa pada alat EDM elektrooptis. LED adalah junction diode yang terbuat dari bahan semi konduktor tipe n dan tipe p dengan atom-atom impurity tersebut dan konsentrasinya. Misal sinar inframerah amber ( akan dipancarkan pada temperatur ruangan jika atom-atom impurity pada LED adalah Ga, As dan P. Perubahan konsentrasi P menyebabkan perubahan panjang gelombang diantara interval tersebut. Sinar inframerah ( dipancarkan pada temperatur ruangan jika atom-atom impurity pada LED adalah Ga, As, dan Al. Perubahan konsentrasi Al menyebabkan perubahan panjang gelombang diantara interval tersebut. Daya output sinar yang dipancarkan LED tergantung pada arus injeksi, frekuensi dan temperatur kerjanya.
7.5.3. Foto Informasi fase yang dibawa oleh sinar harus dikembalikan menjadi sinyal listrik (demodulasi) sebelum proses selanjutnya dilakukan. Komponen yang didapat digunakan untuk itu adalah fotodetektor, misalnya fotodioda, fototransistor, avalance fotodioda, dan fotosel. Fotodioda mempunyai fungsi yang berlawanan dengan LED tetapi dari bahan yang sama. Oleh arenanya, karakteristik dan faktor-faktor yang berperngaruh terhadap LED.
7.5.4. Alat Ukur Selisih Fase Selisih fase antara sinyal referensi dan sinyal ukuran ditentukan oleh alat ukur selisih fase. Ada beberapa macam alat tersebut yang digunakan dalam alat EDM , di antaranya adalah sistem analog dan digital.
7.5.4.1. Sistem Analog Dalam sistem ini digunakan resolver atau delay line dan detektor fase. Fase sinyal referensi dibandingkan dengan fase sinyal ukuran yang telah digeser tersebut. Apabila fase kedua sinyal
tersebut sama, nolmeter menunjukan harga nol. Selisih fase kedua sinyal tersebut sebanding dengan perubahan posisi pengatur kedudukan resolver dan delay line dari titik nolnya.
7.5.4.2. Sistem Digital Sinyal referensi dan sinyal ukuran diubah menjadi gelombang segi emapt (square wave) dalam komponen yang disebut trigger. Gelombang segi emapat tersebut digunakan sebagai saklar elektronik untuk membuka dan menutup aliran pulsa dari osilator. Aliran pulsa dibuka jika sinyal ukuran memulai siklus baru dan ditutup jika sinyal refrensi memulai siklus baru. Dengan cara demikian selisih fase diperoleh dalam satuan kaunter. Karena satuan kaunter dapat dikonversi langsung menjadi satuan jarak.
7.5.5. Reflektor Reflektor digunakan untuk memantulkan sinar agar dapat diterima kembali oleh alat. Oleh karena itu reflektor harus dapat memantulkan sinar dengan baik dan sejajar sehingga dapat diterima oleh lensa penerima pada alat tanpa bidikan dengan tepat. Kesalahan jarak dapat timbul sebagai akibat dari kesalahan pengarahan reflektor, misalnya pada reflektor Kern DM 501 dan Wild GDR 11 berkisar sekitar 0,0 mm pada kesalahan pengarahan 100 dan sekitar 2,3 mm pada kesalahan pengarahan 300. Kesalahan jarak lainnya yang dapat timbul dari reflektor adalah konstanta nol reflektor. Konstanta nol reflektor terjadi karena sumbu optis reflektor tidak berimpit dengan sumbu vertikalnya. Reflektor tunggal berupa prisma kubus yang permukaan tegaknya dibuat irisan-irisan tertentu, sehingga bidang-bidang irisan tersebut saling tegak lurus. Prisma dipasang pada suatu dudukan yang dapat dipasang dan dilepas pada tribach. Tribach ini dapat dipasang tegas di atas statip dengan bantuan nivo kotak dan sentering optis yang ada pada tribach. Banyaknya prisma dapat diatur. Sebuah prisma efektif untuk jarak 500 meter dan untuk jarak yang lebih jauh dapat dipasang tiga, enam sampai sembilan buah tergantung dari jarak yang akan diukur. Prisma juga bisa dipasang bersama-sama dengan target (susun), sehingga apabila PJE dipasang di atas teodolit, maka jarak dan sudut dapat diukur bersama-sama. Pada survei pengukuran guna penentuan titik-titik kontrol, tribach prisma dan target dapat dipertukarkan dengan tribach dari teodolit atau PJE. Dengan demikian pada waktu teodolit dipindah ke stasiun yang ditempati target, statip dan teribach target tidak dilepas tetapi hanya diambil dudukan targetnya saja, kemudian teodolit yang tanpa teribach dipasang pada tribach bekas target, sehingga tidak merubah sentering. Demikian seterusnya secara bergantian, sehingga pengukuran menjadi lebih cepat dan terhindar dari kesalahan akibat sentering. Cara pengukuran yang demikan dinamakan sentering terpaksa.
7.6 CARA KERJA ALAT PJE Pengukuran jarak dengan gelombang elektromagnetik tidak dilakukan dengan mengukur waktu rambat gelombangnya, melainkan dengan mengukur beda fase antara sinyal utama atau sinyal referensi dengan sinyal data. Sinyal utama adalah sinyal dari gelombang pengukur yang dihubungkan langsung pada pengukur beda fase, sedangkan sinyal data adalah sinyal dari gelombang yang telah dimodulasi dengan gelombang pengukur yang disalurkan ke pemancar (transmitter) kemudian dipancarkan ke
pemantul atau reflektor dan diterima kembali oleh receiver, kemudian didemodulasikan ke pengukur beda fase.
Mekanisme kerja alat PJE secara detail teknis mungkin berbeda-beda untuk alat yang berbeda, namun secara garis besar sama dan dapat digambarkan seperti pada Gampar 7.11. Osilator utama membangkitkan sinyal berfrekuensi tertentu dan melalui devider dapat dihasilkan beberapa sinyal dengan frekuensi yang berbeda-beda. Besar frekuensi tersebut dapat disesuaikan dengan skala ukuran alat EDM. Frekuensi sinyal yang paling besar (skala ukuran halus) dialirkan ke amplifier lalu diteruskan ke LED, di sini proses modulasi dilakukan. Kemudian sinar termodulasi dipancarkan. Sinar tersebut memancar melalui dua lintasan, yang pertama dinamakan lintasan luar, dipancarkan melalui sistem optis ke reflektor dan dipantulkan kembali ke sistem optis penerima hingga diterima oleh fotodioda dimana proses demodulasi dilakukan. Sinyal hasil demodulasi (setelah penguatan, penyaringan dan pencampuran) dibandingkan fasenya dengan fase sinyal referensi (sistem digital) dan hasil hitungan kaunter disimpan dalam memori komputer. Lintasan kedua dinamakan lintasan dalam, yaitu lintasan sinar LED melalui fiberglass langsung ke fotodioda, kemudian proses yang sama berlangsung hingga hasil hitungan kaunter diperoleh. Hasil hitungan ini dikurangkan terhadap hasil hitungan pertama, kemudian hasilnya dikonversi menjadi satuan jarak, ditambah besaran konstanta penambah dan disimpan kembali. Selanjutnya pengukuran dilakukan kembali menggunakan panjang gelombang yang lain (ukuran kasar). Setelah ukuran jarak diperoleh, kemudian dilakukan pencampuran (matching), yaitu menyamakan digit pertama dari hasil pengukuran terdahulu yang disimpan. Akhirnya diperoleh jarak ukuran yang dapat dibaca pada alat peraga (display).
7.7. KOREKSI HASIL PENGUKURAN Pada umumnya kecepatan gelombang yang digunakan pada setiap alat ukur EDM telah disesuaikan dengan temperatur dan tekanan udara yang tertentu atau standar. Misal alat ukur SDM -3C didesain untuk standar temperatur 150 C dan tekanan udara 760 mmHg, sehingga jika pengukuran dilakukan pada temperatur dan tekanan udara yang tidak sama dengan temperatur dan tekanan udara standar maka hasil pengukurannya perlu dikoreksi agar didapatkan ketelitian yang memadai. Bentuk koreksi tersebut berbeda-beda untuk setiap alat, ada menggunakan rumus matematis, ada yang menggunakan diagram, ada pula yang langsung dikoreksi oleh alat tersebut dengan cara memasukkan harga temperatur dan tekanan udara saat pengamatan. Sebagai contoh untuk alat SDM -3C, untuk koreksi disediakan diagram seperti pada Gambar 7.12. Tinggi tempat pengamatan di atas permukaan laut yang pada umumnya sebanding dengan tekanan udara, disajikan di bagian atas diagram. Garis – garis miring menunjukan harga atau besaran koreksi dalam milimeter (mm) per 100 m. Contoh: Temperatur saat pengukuran : 210 C Tekanan udara : 720 mmHg Hasil pengukuran (bacaan) : 850,25 m Harga koreksi (dari diagram) : 2 mm/100 m Dengan demikian besarnya koreksi = 2 mm x
Sehingga hasil ukuran teroreksi adalah : 850,25 m +
= 850,267 m
7.8. KETELITIAN PJE Ketelitian PJE ditentukan oleh besar kesalahan konstan dari alat dan kesalahan pengukuran yang sebanding dengan jarak yang diukur. Ketelitian umumnya dinyatakan dengan: [5 mm + 5 part per milion (ppm)] atau (0,02 ft +5 ppm). Besaran 5 mm atau 0,02 ft adalah kesalahan alat ukur yang tidak tergantung dari jarak yang diukur, sedangkan 5 ppm (5 mm/km) adalah kesalahan yang sebanding dengan jarak yang diukur. Sebagian besar alat PJE yang dipasarkan sekarang dipublikasikan berketelitian dari (3 mm + 1 ppm) sampai dengan (10 mm + 10 ppm). Kesalahan dalam besaran ppm sangat bermakna dalam pengukuran, sedangkan yang konstan tak begitu bermakna terhadap jarak yang diukur, sehingga untuk jarak 100 m dengan kesalahan 5 mm akan menunjukan ketelitian 1:20.000 dan untuk jarak 1000 m akan menunjukan ketelitian 1:200.000. Berbicara masalah ketelitian, harus diingat bahwa kedua alat (PJE dan reflektor) harus dikoreksi terhadap karakteristik sentering yang tidak tepat, yaitu: 1. Apakah pusat elektris PJE berimpit atau tidak dengan garis vertikal yang melalui pusat tribach, 2. Apakah titik balik sinar pada reflektor berimpit atau tidak dengan garis vertikal yang melalui pusat tribach reflektor.
Selisih ini dinamakan konstanta prisma atau reflektor. Kesalahan pertama biasanya telah dikompensasikan oleh produsen alat PJE di pabrik, sedangkan kesalahan kedua, konstanta prisma (30-40 mm) telah dieliminir dalam PJE oleh pabrik atau di lapangan. Harga konstanta prisma dapat dicek di lapangan dengan langkah sebagai berikut. - Buat titik A, B, C segaris di lapangan, sebagaimana Gambar 7.13.
-
Ukur semua penggal jarak AC, AB, dan BC dengan alat PJE. Harga konstanta prisma = jarak AC – AB – BC Alternatif lain adalah dengan mengukur jarak garis basis yang telah diketahui lebih dahulu. Selisih hasi pengukuran alat PJE dengan panjang basis adalah besarnya konstanta prisma.
7.9. GEOMETRI PENGUKURAN DENGAN PJE Gambar 7.14. menggambarkan tinggi PJE dan tinggi reflektor yang sama. Misal kemiringan diukur dengan teodolit. Tinggi PJE atau teodolit (hi) dan tinggi reflektor (HR) masing-masing dapat diukur dengan rol meter atau pita ukur. Agar perhitungan menjadi sederhana dianjurkan agar hi = HR. Apabila PJE dipasang di atas reflektor seperti Gambar 7.15, maka untuk keperluan perhitungan diperlukan koreksi sudut vertikal ( apabila . Ketelitian sudut vertikal sangat penting karena akan terkait dengan jarak mendatar dan beda tinggi dari jarak miring hasil pengukuran. Dari Gambar 7.15, selisih antara dan = X. Pada segitiga kecil yang terbentuk dari perpanjangan S’ dengan sisi miring X dan sudut puncak , sisi siku-siku yang panjang = X cos , sehingga
dapat dihitung dengan rumus: sin
.
Contoh: Jarak miring antara AB yang diukur dengan PJE = 561,276 m. Tinggi PJE di A=1,820, dan tinggi prisma di B = 1,986 m. PJE dipasang di atas teodolit yang tinggi pusat optisnya = 1,720 di atas titik A dengan sudut miring teropong terbaca pada teodolit sebesar + 6o 21’ 38” pada pembidikan ke target, tinggi target = 1,810 m di atas titik B. Hitung jarak mendatar antara A dan B dan elevasi/tinggi titik B bila tinggi titik A = 186,275 m. Dari data yang diperlihatkan Gambar 7.15 dan Gambar 7.16, harga X = (1,986-1,810) – (1,820-1,720) = 0,176 – 0,100 = 0,076 m. Sehingga : Sin
=
= 28” terkoreksi
= 6o21’38” + 28” = 6o22’06” Jadi jarak mendarat DAB = 561,276 Cos 6o22’06” = 557,813 m. Apabila jarak mendatar langsung dihitung dari sudut miring hasil pengukuran 6o21’38”, akan didapatkan DAB = 561,276 Cos 6o21’38” = 557,821 m. Apabila dibanding dengan hasil di atas (557,813 m), selisihnya tidak begitu berarti. Tinggi/elevasi B (HB) = HA + 1,820 +561,276 Sin 6o22’06” – 1,986 = 186,275 + 1.820 + 62,257 – 1,986 = 248,366 m Apabila kenaikan (V) dihitung dengan sudut miring pengukuran langsung (6o21’38”) akan didapat + 62,181 m. Dibanding dengan + 62,257 m, maka perbedaannya menjadi cukup bermakna.
7.10. PJE TANPA REFLEKTOR Saat ini ada beberapa jenis PJE yang dapat digunakan untuk mengukur jarak tanpa menggunakan reflektor karena permukaaan yang diukur itu sendiri yang berlaku sebagai reflektor. Beberapa pabrik seperti Wild Heerbrugg (Wild Dior 3002) dan Fennel menggunakan metode pulsa dari sinyal inframerah, yang dipancarkan oleh laser. Alat PJE tersebut dapat memperoleh jarak langsung dari target.
PJE tanpa reflektor dapat digunkana pula secara konvensional (dengan reflektor) untuk mengukur jarak hingga 4 km. Bila digunakan tanpa reflektor, kemampuan jarak ukurnya akan menurun dari 100-300 m (cuaca teduh dan malam yang gelap baik untuk pengukuran). Dengan reflektor ketelitian pengukuran ( 3 mm + 1 ppm), tanpa reflektor ketelitian akan menurun 10 mm. Target yang berwarna cerah dan permukaan yang datar/halus dan tegak lurus terhadap arah sinyal (seperti tembok) akan menjadikan jarak jangkau dan ketelitian semakin baik. Alat PJE ini dapat mengukur secara cepat (0,8 detik pada mode rapid dan 0,3 detik pada mode tracking), yang berarti dapat untuk digunakan untuk mengukur jarak obyek yang bergerak, sehingga menambah sarana untuk survei pada beberapa bidang lain seperti survei hidrografi dekat pantai serta berbagai bidang konstruksi berat. Dengan kombinasi data kolektor dan komputer, teknik ini siap dipakai untuk pengukuran tampang melintang secara otomatis dalam bidang pertambangan dan terowongan; dan dengan pengeplotan gambar tampang, volume penggalian secara otomatis dapat diselesaikan dengan digital plotter dan komputer. PJE tanpa reflektor dapat pula digunakan untuk survei dalam pembuatan gambar tampang dari tumpukan material galian, pengukuran tempat-tempat yang berbahaya atau sulit didatangi, misalnya komponen-komponen jembatan, menara pendingin, permukaan dam dan lain-lain yang sejenis, dan pengukuran secara otomatis dari permukaan air seperti tandon air, batas kolam dan sebagainya. Ada kemungkinan teknik baru ini menjadi sangat potensial dalam industri survei yang membutuhkan pengukuran jarak seperti dalam tipe-tipe monitoring.
Gambar 7.16. PJE tanpa reflektor Alat PJE ini menggunakan sinar laser yang dengan sendirinya akan membantu kita untuk mengenal/melihat obyek yang diamati karena sinar laser akan memberikan penerangan kepada obyek yang kita bidik, sehingga surveyor tahu secara pasti permukaan obyek yang harus dibidik, tidak keliru dengan obyek yang ada disampinganya. Karena pengukuran dilakukan secara cepat, harus betul-betul diperhatikan jangan sampai terjadi kesalahan pembidikan terhadap beberapa obyek yang mungkin secara kebetulan melintas pada sinyal pengukur, seperti truk atau kendaraan lain yang lewat.
SOAL 1. Sebutkan komponen-komponen yang penting dalam alat EDM ! JAWAB : Osolator Kwarts, Light Emiting Diode (LED), foto, alat ukur selisih fase, sistem analog, sistem digital, dan reflector 2. Bagaimana konsep dasar pengukuran jarak elektronik? JAWAB : Konsep dasar dari pengukuran jarak elektronik adalah suatu sinyal gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dari suatu alat yang dipasang pada stasiun di ujung suatu garis yang akan diukur jaraknya, kemudian di ujung lain dari garis tersebut dipasang pemantul atau reflektor.
