## RANCANG BANGUN KALIBRATOR PORTABLE PENAKAR HUJAN TIPPING BUCKET
Kanton Lumban Toruan 1* , Exelvia Intania Caroline Barus 2 , Marzuki Sinambela 3
1,2,3 Prodi Instrumentasi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang Selatan
* Email : kanton60@gmail.com

## ABSTRAK
Kalibrasi  merupakan  kegiatan  yang  menjamin  nilai  pengukuran dari  alat  ukur  akurat,  terpercaya,  dan  dapat dipertanggungjawabkan. Kalibrasi yang dilakukan oleh Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) terdiri dari dua macam metode yaitu kalibrasi pada laboratorium kalibrasi dan kalibrasi lapang, kalibrasi lapang yaitu kalibrasi yang dilakukan oleh teknisi di lapangan dengan alat kalibrator portable. Penelitian ini bertujuan membuat kalibrator penakar hujan tipping bucket untuk kalibrasi lapang yang dirancang dengan aplikasi Visual Studio untuk perhitungan nilai koreksi dan ketidakpastian. Komponen yang dipakai adalah solenoid valve untuk mengalirkan  air  dari  tabung  ke  tipping  bucket,  sensor  capacitive  proximity  sebagai  pendeteksi  air  di  dalam tabung, sensor DHT22 sebagai sensor suhu dan kelembapan, RTC DS3231 sebagai sistem pewaktuan, NodeMCU ESP8266 sebagai pengirim data ke aplikasi, serta SD card dan database sebagai penyimpanan data. Data yang tersimpan  pada  aplikasi  dapat  diexport  dalam  bentuk  excel.  Hasil  uji  coba  kalibrator  penakar  hujan  tipping bucket memberikan nilai nozzle rate yang baik yaitu 156.6 mm/jam dengan error 1.2% untuk 1 valve, 2 dan 3 valve yang menghasilkan nozzle rate 354.5  mm/jam dengan error 1.9% dan nozzle rate 444.4  mm/jam dengan error 4.9%.

## Kata Kunci : kalibrator penakar hujan tipping bucket, nozzle rate, error , visual studio,  NodeMCU ESP8266

## ABSTRACT
Calibration is an activity that ensures that the measurement value of a measuring instrument is accurate, reliable and  accountable.  Calibration  carried  out  by  the  Meteorology,  Climatology  and  Geophysics  Agency  (BMKG) consists  of  two  types  of  methods,  namely  calibration  in  the  calibration  laboratory  and  field  calibration,  field calibration is calibration carried out by technicians in the field using a portable calibrator. This research aims to create a tipping bucket rain gauge calibrator for field calibration designed with the Visual Studio application for calculating correction and uncertainty values. The components used are a solenoid valve to drain water from the tube to the tipping bucket, a capacitive proximity sensor as a water  detector in the tube, a  DHT22 sensor as a temperature and humidity sensor, an RTC DS3231 as a timing system, a NodeMCU ESP8266 as a data sender to the application, and an SD card. and database as data storage. Data stored in the application can be exported in Excel form. The test results of the tipping bucket rain measuring calibrator gave a good nozzle rate value of 156.6 mm/hour with an error of 1.2% for 1 valve, 2 and 3 valves which produced a nozzle rate of 354,5 mm/hour with an error of 1.9% and a nozzle rate of 444.4 mm/hour with an error of 4.9%.
Keyword : rain gauge calibrator, nozzle rate, error, visual studio, NodeMCU ESP8266

## I. PENDAHULUAN
Badan  Meteorologi  Klimatologi  dan  Geofisika  sesuai Undang-Undang  Nomor  31  Tahun  2009  tentang meteorologi,  klimatologi  dan  geofisika  melaksanakan tugas  pengamatan  hujan  .  Pengamatan  hujan  yang dilakukan  yaitu  dengan  cara  mengukur  curah  hujan  . Tipping  bucket merupakan  instrumen  yang  dapat mendukung  pelaksanaan  pengamatan  hujan  dengan mengukur curah hujan secara otomatis.
Pelayanan  informasi  meteorologi  menyediakan data  yang  telah  diolah  maupun  data  mentah  yang dihasilkan oleh tipping bucket. Untuk menghasilkan data yang  baik,  yaitu  presisi  dan  akurat    serta  pelayanan informasi  yang  baik,  maka  tipping  bucket  harus  selalu dalam  keadaan  laik  operasi.  Untuk  mendapatkan  alat pengamatan  yang  laik  operasi  maka  harus  dilakukan kalibrasi  secara  berkala  (Undang-Undang  Nomor  31 Tahun 2009).
Kalibrasi  menurut  ISO/IEC  Guide  17025:2005
dan  Vocabulary  of  International  Metrology  (VIM) adalah kegiatan yang membentuk hubungan antara nilai yang ditunjukkan oleh alat ukur atau sistem pengukuran, atau nilai  yang diwakili  oleh bahan ukur, dengan nilai- nilai  yang  sudah  diketahui  yang  berkaitan  dari  besaran yang diukur dalam kondisi tertentu.
Terdapat  dua  metode  kalibrasi  yang  digunakan untuk  mengkalibrasi tipping  bucket yaitu  kalibrasi laboratorium dan kalibrasi lapang. Kalibrasi laboratorium  dilakukan  di  laboratorium  BMKG. Penelitian  ini  akan  mengembangkan  kalibrator  penakar hujan  tipping  bucket  sebelumnya  yang  telah  dilakukan oleh  Sela  Febriza  (2019)  dengan  menambahkan  sensor suhu dan kelembapan serta aplikasi perhitungan tipping bucket    serta  merubah  ukuran  nozzle  valve  yang  lebih kecil.
Tujuan  dari  penelitian  ini  untuk  merancang kalibrator  penakar  hujan tipping  bucket serta  aplikasi untuk  menampilkan  nilai  koreksi  dan  ketidakpastian pada  PC  ( Personal  Computer ).  Manfaat  penelitian  ini
yaitu  untuk  menghasilkan  kalibrator  penakar  hujan tipping bucket yang dapat bernilai edukasi bagi taruna/I STMKG,  memudahkan  pengguna  menghitung  nilai koreksi  dan  ketidakpastian  tipping  bucket  pada  PC ( Personal Computer ).
Jurnal  ini  ditulis  dengan  sistematika  pendahuluan, berisi  mengenai  penjelasan  tentang  latar  belakang,
tujuan  dan  manfaat  penelitian,  metode  berisi  prosedur penelitian  dan  diagram  alir.  Hasil  penelitian,  berisi penjelasan dan pembahasan hasil penelitian ini. Terakhir kesimpulan, berisi tentang kesimpulan secara keseluruhan dari penelitian dan daftar pustaka.

## II. METODE PENELITIAN
Blok  diagram  sistem  kalibrator  penakar    hujan  tipping bucket  menggunakan  NodeMCU  ESP8266  sebagai
pengirim  data  ke  PC  ( Personal  Computer )  yang dirancang ditunjukkan pada gambar 1 di bawah ini :
Gambar 1. Blok diagram sistem kalibrator penakar hujan tipping bucket
Pada  gambar  1  terdiri  dari input ,  proses,  dan output. Komponen Input terdiri dari keypad 4x4, solenoid valve , sensor reed switch , sensor DHT22 dan sensor capacitive proximity . Selanjutnya input akan diproses oleh arduino mega,  kemudian  data  disimpan  ke  SD  Card  dan ditampilkam ke LCD 20x4. Pengiriman data menggunakan  NodeMCU  ESP8266  untuk  ditampilkan ke  PC( Personal  Computer ).  Perangkat  lunak  yang digunakan  untuk  membuat  sistem  kalibrator  penakar hujan  tipping  bucket  adalah  Arduino  IDE,  sedangkan untuk  tampilan  aplikasi  perhitungan  dibuat  dengan program Visual Studio.

## 2.1 Perancangan Perangkat Keras
1. Sensor  Reed  Switch adalah  saklar  listrik  yang dioperasikan  dengan  medan  magnet.  Sensor  ini terdiri  dari  sepasang  kotak  pada  tubuh  logam  besi dalam  tertutup  oleh  kaca.  Sensor  ini  bekerja  jika medan  magnet  disekitar  sensor  terdeteksi.  Setelah medan  magnet  tidak  lagi  terdeteksi,  maka reed switch akan kembali ke posisi semula.
2. Sensor capacitive  proximity adalah  sensor  jarak yang  dapat  mendeteksi  gerakan,  komposisi  kimia, tingkat  dan  komposisi  cairan  maupun  tekanan. Sensor  jarak  kapasitif  dapat  mendeteksi  bahan- bahan dielektrik rendah seperti plastik atau kaca dan bahan-bahan  dielektrik  yang  lebih  tinggi  seperti cairan  sehingga  memungkinkan  sensor  jenis  ini untuk  mendeteksi  tingkat  banyak  bahan  melalui kaca, plastik maupun komposisi lainnya.
3. Solenoid  valve berfungsi  menghentikan  atau meneruskan  aliran  refrigeran  dalam  suatu  sistem refrigerasi,  dimana  pengaturannya  dilakukan  oleh arus  listrik. Solenoid  valve terdiri  dari  sebuah kumparan  yang  berbentuk  silinder  dimana  pada
bagian  tengahnya  terdapat  sebuah  inti  besi  yang mudah dibuat magnet yang disebut dengan plunger .
4. Liquid  Crystal  Display  (LCD)  adalah  sebuah peralatan  elektronika  yang  memiliki  fungsi  untuk menampilkan  output  sebuah  sistem  baik  karakter, huruf atau grafik. LCD yang dipakai pada system ini berukuran 20x4.
5. Arduino Uno Mega 2560 merupakan mikrokontroler dengan basis ATmega2560. Modul ini terdiri dari 54 digital pin input dan output. PWM output terdiri dari 14 pin dan analog input memiliki 16 pin, 4 pin untuk UART, 16 MHz osilator kristal, Kristal USB, power jack ICSP header, dan tombol reset.  Pemilihan  Arduino  Mega  2560  dikarenakan cukup  untuk  melakukan  pemrosesan  system kalibrator penakar hujan tipping bucket .
6. Node  MCU  (  Node  MicroController  Unit)  adalah produk mikrokontroller  pengembangan dari modul ESP8266  yang  bersifat open  source. NodeMCU dapat  disebut  gabungan  antara  board  arduino dengan  ESP8266  dengan  tambahan  fitur wifi dan komunikasi berupa USB to serial.
7. DHT22  adalah  sensor  pengukur  suhu  dan kelembapan  relatif  dengan  keluaran  berupa  sinyal digital  serta  memiliki  4  pin  yag  terdiri  dari  power supply,  data  signal,  null,  dan  ground.  Sensor elemennya  terbuat  dari  kapasitor  polimer  untuk pengukuran  suhu  dan  kelembapan.  Sensor  DHT22 memiliki transmisi jarak pengiriman data 20 meter.
8. Real  Time  Clock (RTC)  merupakan chip IC  yang mempunyai fungsi menghitung waktu yang dimulai dari  detik,  menit,  jam,  hari,  tanggal,  bulan,  hingga tahun dengan akurat. RTC yang dipakai pada system ini yaitu DS3231.

## 2.1.1. Perancangan Skematik Sistem
Skema rangkaian dalam sistem kalibrator penakar hujan tipping bucket dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2. Skematik rangkaian sistem kalibrator penakar hujan tipping bucket

## 2.1.2.  Perancangan  Desain  Kalibrator  Penakar Hujan Tipping Bucket
Desain  rancangan  ini  merupakan  tahapan  pembuatan gambaran  fisik  dari  kalibrator  penakar  hujan tipping bucket untuk kalibrasi lapang secara virtual sebelum alat tersebut  diwujudkan  secara  nyata.  Perancangan  ini berfungsi  untuk  memudahkan  dalam  menggambarkan bentuk fisik dalam proses pembuatan alat. Bahan tabung kalibrator  yang  digunakan  adalah  akrilik.  Berikut merupakan hasil desain 3D kalibrator yang dirancang.
(A) (B)
Gambar 3. (A) Desain tabung kalibrator (B) Desain box logger

## 2.2. Perancangan Flow Chart Program
Program perangkat lunak yang dirancang pada sistem ini terdiri dari dua jenis,  yaitu program utama sistem yang dimasukkan  ke  dalam  mikrokontroler  dan  program aplikasi  perhitungan  menggunakan  Visual  Studio.
Berikut merupakan flowchart program utama mikrokontroler.
Gambar 4. Flowchart program mikrokontroler
Flowchart program aplikasi ditunjukkan pada gambar 5 berikut :

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  bagian  hasil  dan  pembahasan  akan  dijelaskan mengenai  hasil  realisasi  sistem  yang  telah  dirancang mengenai  hasil  perancangan  perangkat  keras  dan
program  perangkat  lunak  serta  hasil  pengujian  sistem yang dilengkapi dengan pembahasan dari hasil tersebut. Perancangan  sistem  terdiri  dari  perancangan  perangkat keras dan perangkat lunak. Hasil perancangan perangkat keras dapat ditunjukkan pada gambar berikut :

## 3.1. Hasil Perancangan Sistem
(A) (B)
Gambar 6. (A) Tabung kalibrator (B) Box logger
Hasil perancangan perangkat lunak ditunjukkan pada gambar berikut :
Gambar 7. Tampilan aplikasi perhitungan

## 3.3. Hasil Pengujian
Pengujian  yang  dilakukan  terdiri  dari  beberapa  tahap yaitu : a) Pengujian sensor suhu dan kelembapan DHT22 b) Pengujian tipping bucket
c) Pengujian aplikasi
d) Pengujian sistem keseluruhan
a. Pengujian sensor suhu dan kelembapan DHT22
Pengujian  sensor  suhu  dan  kelembapan  dilakukan dengan  cara  kalibrasi  di  laboratorium  kalibrasi  Balai Besar Meteorologi Klimatologi Geofisika Wilayah II  – Tangerang  Selatan.  Pengujian  sensor  suhu  dan kelembapan bertujuan untuk mengetahui nilai simpangan hasil pengukuran alat rancangan. Berikut ini merupakan hasil kalibrasi sensor DHT22 :
Gambar 8. Grafik kalibrasi sensor suhu
Gambar 9. Grafik kalibrasi sensor kelembapan

## b. Pengujian tipping bucket
Pengujian tipping  bucket dilakukan  dengan  cara kalibrasi. Kalibrasi sensor tipping bucket dilakukann di Laboratorium Kalibrasi BBMKG Wilayah II di Jalan H. Abdulghani No.05, Cempaka Putih, Kecamatan Ciputat Timur,  Kota  Tangerang  Selatan,  Banten  pada  hari Selasa,  20  April  2021.  Kalibrasi  sensor tipping  bucket bertujuan  untuk  mengetahui  kedekatan  nilai  dari pengukuran tipping bucket  dengan  alat standar BMKG yang  sudah  terkalibrasi  dan  tertelusur  secara  nasional maupun internasional.
Tabel 1. Hasil pengujian tipping bucket
c. Pengujian aplikasi
Pengujian aplikasi dilakukan dengan cara menghubungkan aplikasi dengan alat. Setelah aplikasi terhubung dengan alat, maka data dari pembacaan sensor akan tampil pada aplikasi. Berikut ini merupakan gambar pengujian aplikasi.
0 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 SU H U ( C ) PEMBACAAN KE GRAFIK KALIBRASI SENSOR SUHU DHT22 DENGAN ALAT STANDARD SUHU STANDARD SUHU UUT 0 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 KELE M B AP AN (% ) PEMBACAAN KE GRAFIK KALIBRASI SENSOR RH DHT22

## DENGAN ALAT STANDARD
KELEMBAPAN STANDARD KELEMBAPAN UUT

## (A)
(B)
Gambar 10. (A) Tampilan display (B) Form perhitungan ketidakpastian
d. Pengujian sistem keseluruhan
Pengujian  sistem  secara  keseluruhan  merupakan pengujian  yang  dilakukan  terhadap  sistem  kalibrator penakar hujan tipping bucket beserta pengiriman data ke aplikasi  pada  PC  yang  bertujuan  untuk  mengetahui kinerja  kalibrator..  Berikut  ini  merupakan  tabel perbandingan  nilai  nozzle  rate  dan  error  dengan penelitian  sebelumnya  yang  menggunakan  diameter nozzle 6.35 mm.

## Tabel 2. Perbandingan nozzle rate

## Tabel 3. Perbandingan nilai error

## 3.4. Pembahasan
Berdasarkan hasil pengujian sensor DHT22, nilai koreksi rata-rata yang dihasilkan cukup baik karena masih dalam kisaran resolusi pembacaan suhu dan kelembapan yang diatur dalam WMO Guid to Meteorological Instruments and Methods of Observation dimana untuk suhu sebesar 0,2  ºC  dan  kelembapan  sebesar  3%.  Pengujian  tipping bucket  menghasilkan  nilai  error  2.4  %.  Menurut WMO Guide  to  Meteorological  Instruments  and  Methods  of Observation , klasifikasi error intensitas hujan diatas 100 mm/jam  tidak  melebihi  5%. Nilai error hasil  kalibrasi tipping bucket TB3 masih berada dibawah 5%, sehingga dapat dipastikan bahwa tipping bucket TB3 masih baik untuk  digunakan.Pengujian  aplikasi  dilakukan  dengan cara  menghubungkan  dengan  alat,  pengujian  aplikasi berhasil ditandai dengan tampilnya teks berwarna hijau pada  box  hitam  serta  suhu  dan  kelembapan  udara. Perhitungan  ketidakpastian  akan  muncul  apabila mengklik button kalkulasi.
Pengujian secara keseluruhan menghasilkan nilai error  1.2%  saat  jumlah  1  valve,  2%  saat  2  valve  yang terbuka, dan 4.9% saat 3 valve yang terbuka. Nilai error tersebut  masih  berada  dalam  kisaran  yang  telah ditetapkan oleh WMO yaitu tidak lebih dari 5%. Nozzle rate  yang  dihasilkan  1  valve  sebesar  156.6  mm/jam,  2 valve sebesar 354.5 mm/jam dan 3 valve sebesar 444.4 mm/jam.  Hasil  tersebut  masih  berada  dalam  kisaran spesifikasi Tipping bucket  tipe TB3 yaitu pada intensitas 0-250  mm/jam  dan  ±3%  pada  intensitas  250-500 mm/jam.
Adapun  faktor  lain  yang  mempengaruhi  nilai error  dan  nozzle  rate  selain  diameter  nozzle,  yaitu tekanan  udara  pada  tabung.  Ketika  udara  masuk  pada tabung, laju aliran air akan tidak stabil, air akan mengalir terlalu  deras  sehingga  akan  mempengaruhi  pembacaan tipping  bucket ,  maka  dari  itu  penutup  tabung  harus dibuat vacuum agar  tidak  ada  udara  yang  masuk  ke
dalam tabung saat melakukan kalibrasi.

## IV. KESIMPULAN
Kesimpulan yang didapat dari penelitian adalah sebagai berikut :
1. Sistem  bekerja  denga  baik  ditandai  dengan bekerjanya  setiap  komponen  seperti  sensor capacitive  proximity ,  valve,  sensor  suhu  dan kelembapan, micro  SD  Card dan  RTC  sebagai sistem pewaktuan.
2. Program  pada  mikrokontroler  berhasil  dibuat dengan aplikasi Arduino IDE dan dapat menampilkan  jumlah  tip,  volume  serta  suhu  dan kelembapan  pada  LCD.    Modul wifi ESP8266 mampu mengirimkan data sehingga dapat ditampilkan  pada  aplikasi  di  PC,  kemudian disimpan di database.
3. Perhitungan  dan  pengontrolan  jumlah  valve  yang ingin  dibuka  pada  aplikasi  berhasil  dilakukan dengan  baik.  Aplikasi  mampu  mengontrol  jumlah valve sesuai  yang diinginkan dan menyimpan data dalam format xlsx.
4. Pengujian  valve  pada  tabung  menghasilkan  nilai error 1.173% saat jumlah 1 valve, 2% saat 2 valve yang terbuka, dan 4.9% saat 3 valve yang terbuka. Nilai  error  tersebut  masih  berada  dalam  kisaran yang telah  ditetapkan oleh WMO  yaitu tidak lebih dari 5%. Nozzle rate yang dihasilkan 1 valve sebesar 156.558  mm/jam,  2 valve sebesar  354.5  mm/jam dan  3 valve sebesar  444.4  mm/jam.  Hasil  tersebut masih  berada  dalam  kisaran  spesifikasi Tipping bucket tipe  TB3  yaitu  pada  intensitas  0-250 mm/jam dan ±3% pada intensitas 250-500 mm/jam.

## V. DAFTAR PUSTAKA
[1] Adriansyah,  Andi,  dan  Hidyatama,  Oka,  2013, Rancang  Bangun  Prototipe    Elevator  Menggunakan Microcontroller Arduino ATMEGA 328P, Universitas Mercu Buana, Jakarta.
[2] Anonim, 2015, Peraturan Kepala BMKG Tentang Tata Cara Tetap Pelaksanaan Kalibrasi Peralatan Pengamatan  Meteorologi,  Klimatologi,  dan  Geofisika di  Lingkungan  BMKG,  Jakarta,  Peraturan  Kepala BMKG No. 23 Tahun 2015.
[3] Armein,  M  Ayattullah,  2017,  Analisis  Pengaruh Variasi Ukuran Diameter Penampang Nozzle Terhadap Jarak  Pancaran  Fluida yang  Keluar, skripsi , Universitas Sriwijaya, Palembang.
[4] Arifin,  MS,  2010,  Modul  klimatologi,  Jawa  Timur: Fakultas Pertanian Universitas Brawijaya.
[5] Diina, M Qiyaman, dkk., 2018, Karakterisasi Volume Kalibrator Alat Penakar Hujan Menggunakan Metode Gravimetri, Jurnal Standarisasi, Vol.20, No.1, hal. 11- 18.
[6] Febriza,  Sela,  2019,  Rancang  Bangun  Kalibrator Penakar Hujan Tipping Bucket untuk Kalibrasi Lapang,
skripsi ,  Sekolah  Tinggi  Meteorologi  Klimatologi  dan Geofisika, Jakarta.
[7] Hartono,  R.,  2013,  Perancangan  Sistem  Data  Logger Temperatur  Baterai  Berbasis  Arduino  Duemilanove , Universitas Jember , Jawa Timur.
[8] ISO, 2017, International Organization for Standardization  (ISO)  /  International  Electrotechnical Commission (IEC) Guide 17025
[9] Lanza,  L.G  dan  L.Stagi.,  2009,  High  resolution performance  of  catching  type  rain  gauges  from  the laboratory phase of the WMO Field Intercomparison of Rain Intensity Gauges, Atmospheric Research , Vol. 94, no. 4, pp.555-563.
[10] Mori,  K.,  Sosdrodarsono,  S.  &  Takeda,  K.,  1999, Hidrologi  untuk  Pengairan. Jakarta:  PT.Pradnya Paratama.
[11] Nugraha,  N.  W.,  dan  Rahmat,  B.,  2018,  Sistem Pemberian Makanan dan Minuman Kucing Menggunakan  Arduino,  Universitas  Pembangunan Nasional, Jawa Timur.
[12] Syahbeni,  Muhammad,  dkk.,  2018,  Rancang  Bangun Pendeteksi  Curah  Hujan  Menggunakan  Tipping Bucket Rain Sensor dan Arduino Uno, Sekolah Tinggi Teknologi Payakumbuh, Sumatera Barat.
[13] Tjasyono,  2006,  Ilmu  Kebumian  dan  Antariksa, Bandung : PT Rosdakarya.
[14] Undang-undang  Republik  Indonesia  No.  31  Tahun 2009  tentang  Meteorologi  Klimatologi  dan  Geofisika (MKG).
[15] User  Manual  Rain  Gauge  Calibrator,  2019,  USA  : NovaLynx Corporation.
[16] World Meteorological Organization, 2014, WMO No. 8 Guide to Meterological Instruments and Methods of Observation, 2014 Edition Geneva