## Rancang Bangun Alat Ukur Tahanan Tanah (Earth Meter) Digital

## Hendra Firdaus
Universitas Galuh
Abstrak. Ground resistance is required for protection of electrical installations. The size of the earthing resistance  value  has  an  effect  on  the  rapidly  discharging  of  electrical  energy.  The  value  of  grounding resistance  that meets  the requirements  of  an Electrical Installation has been  determined and  set by  PUIL (General Requirements for Electrical Installation) 2000. Methods are performed based on circuit-designed trials and measurement results. The design of this digital ground resistance measurement is not separated from the basic circuit of current and voltage measurement, the achievement of the measurement of ground resistance is generated from the measurement of voltage and current (V / I). The test results of the tool can be seen that the measuring tool of digital grounding resistance that is designed to build this has a precision and accuracy is good enough that the average percentage error of 6.29%. This measuring instrument uses two  voltage  sources  that  is  the  voltage  for  the  measuring  instrument  and  the  reference  voltage  that  is supplied  to  each  electrode.  In  the  use  of  this  measuring  device  must  be  careful  because  the  reference voltage is high enough that it can create a shock voltage on the electrode if not installed properly.
Keyword: Measure, Ground, Digital.
Abstrak. Tahanan  tanah  diperlukan  sebagai  proteksi  instalasi  listrik.jika  terjadi  hubung  singkat.  Besar kecilnya  nilai  tahanan  pentanahan  berpengaruh  terhadap  cepat  lambatnya  penyaluran  energi  listrik.  Nilai tahanan pentanahan yang memenuhi syarat suatu Instalasi Listrik sudah ditentukan dan di atur oleh PUIL (Persyaratan Umum Instalasi Listrik) 2000. Metode yang dilakukan berdasarkan uji coba rangkaian yang dirancang  bangun  dan  hasil  pengukuran.  Rancang  bangun  alat  pengukur  tahanan  tanah  digital  ini  tidak lepas  dari  rangkaian  dasar  pengukuran  Arus  dan  tegangan,  tercapainya  pengukuran  tahanan  tanah dihasilkan dari pengukuran tegangan dan arus (V/I).  Hasil pengujian alat dapat diketahui bahwa alat ukur tahanan pentanahan digital yang dirancang bangun ini memiliki ketepatan dan ketelitian yang cukup baik yaitu rata-rata prosentase kesalahan sebesar 6,29%. Alat ukur ini menggunakan dua sumber tegangan yaitu tegangan  untuk  alat  ukur  dan  tegangan referensi yang  dialirkan  ke  masing  –  masing  elektrode.  Dalam pengunaan  alat  ukur  ini  harus  hati-hati  karena  tegangan  referensi  yang  cukup  tinggi  sehingga  dapat membuat tegangan kejut pada elektroda apabila belum terpasang dengan baik.
Kata Kunci : Alat Ukur, Pentanahan, Digital.

## A. PENDAHULUAN

## Latar Belakang
Pengukuran tahanan
pentanahan  pada  sebuah  instalasi sangat  dipengaruhi  oleh  jenis  tanah tempat  elektroda  pentanahan  ditanam; lapisan  tanah,  kelembaban  tanah  dan temperatur.  Pada  pengukuran  tahanan pentanahan  syarat  sebuah  instalasi listrik harus memiliki tahanan pentanahan  kurang  dari  5Ω.  Untuk memperoleh  hasil  pengukuran  tahanan pentanahan yang akurat maka dibutuhkan  penerapan  sistem  digital. cepat atau type pembandingan langsung  yang  banyak  digunakan
dalam instrumentasi dan kontrol.
Pada  prinsipnya  suatu  sistem pengukuran  dibutuhkan  sebuah  alat ukur  sensor,  pengolah  data  dan tampilan  atau display .  Umumnya  alat ukur earth  meter yang  terdapat dipasaran  sistem  pembacaannya  masih menggunakan jarum atau analog sehingga dalam pembacaan hasil pengukuran  tergantung  dari  kejelian mata  penguji  / human  error sering terjadi.
Alat  ukur  pentanahan  yang terdapat  di  laboratorium  umumnya masih  analog  untuk  itu  penulis  ingin mewujudkan dengan merancang bangun  sebuah  alat  ukur  tahanan
pentanahan yang berbasis  digital  dapat mempermudah  pengukuran  tahanan pentanahan sehingga hasil yang dicapai dari  pengukuran  langsung  tampil  pada display seven  segment .  Penelitian  ini bertujuan  untuk  merancang  bangun sebuah  alat  ukur  tahanan  pentanahan yang  tampilan  / display nya  terlihat langsung (digital) serta ingin mengetahui  toleransi  kesalahan  alat ukur  pentanahan  yang  telah  dirancang dan dibangun sehingga dapat mengurangi terjadinya human error .

## B. TUJUAN PENELITIAN
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Untuk merancang dan membangun  alat  ukur  tahanan tanah digital.
2. Untuk  mengetahui  prosentase kesalahan alat yang telah dirancang dan dibangun.

## C. TINJAUAN PUSTAKA
Pentanahan  adalah  salah  satu alat  pengaman  listrik  yang  berfungsi untuk menjaga keselamatan jiwa manusia  terhadap  bahaya  –  bahaya tegangan  sentuh.  Bila  ada  kerusakan isolasi  pada suatu instalasi atau bagian yang  bertegangan,  maka  bagian  logam tersebut  harus  dihubungkan  dengan arde.  Bagian  yang  diberi  pentanahan bila  bersinggungan  dengan  tegangan mampu memutuskan sekering sehingga tidak  terjadi  tegangan  penyebaran (Jamaaluddin, 2017).
Nilai tahanan pentanahan digunakan  untuk  memenuhi  syarat suatu instalasi, karena tahanan pentanahan mempengaruhi cepat lambatnya  penyaluran  energi  listrik jika  terjadi  hubung  singkat.  Alat  yang dapat  digunakan  untuk  mengukur tahanan  pentanahan  disebut Earth Meter .
Besarnya  tahanan  tanah  yang diperkenankan  tergantung  pada  kuat
arus  nominal  pada  sekering  instalasi. Sekering  akan  putus  beberapa  saat setelah  arus  naik  dua  kali  lipat,  dan bila  arus  tinggi  lagi  sekering  akan putus secara cepat.
Bila  pentanahan  terjadi  kontak langsung  dengan  tegangan,  maka  ada aliran  arus  listrik  di  tanah.  Sirkulasi arus  listrik  mengalir  dari  grounding kembali  ke  pembangkit  listrik.  Terjadi kontak  langsung  antara  pentanahan dengan  tegangan  disebabkan  karena hubungan  terminal  lepas,  kerusakan isolasi  dari  peralatan  listrik.  Di  dalam instalasi  listrik  terdapat  pengaman sekering,  maka  aliran  listrik  tersebut melalui  sekering.  Selama  pengaman (sekering) yang digunakan belum putus (lebur),  maka  elektrode  tanah  akan menyebar  di  dalam  tanah,  karena  itu pentanahan ini disebut tahanan penyebaran,  arus  sirkulasi  menyebar semakin  jauh  dari  electrode,  sehingga makin kecil tahanan terssebut.  Adanya arus  sirkulasi,  bila  diambil  dua  di permukaan tanah dapat mengakibatkan beda  tegangan  cukup  tinggi.  Tegangan dari  jarak  sekitar  75  cm  disebut tegangan langkah.
Kondisi  alam  memungkinkan tahanan  pentanahan  meningkat,  yaitu pada saat musim kemarau. Pada musim ini tanah di sekitar electrode karena air tanah  menurun.  Akibat  dari  tahanan permukaan  yang  meningkat  maka tegangan  langkah  akan  meningkat lebih tinggi.
Alat ukur merupakan alat untuk menentukan  nilai  atau  besaran  suatu kuantitas  atau variable ,  sedangkan mengukur adalah membandingkan
parameter  pada  obyek  yang  diukur terhadap besaran yang
telah distandarkan,  sedangkan  pengukuran merupakan suatu usaha untuk mendapatkan informasi deskriptif- kuantitatif  dari  variabel-variabel  fisika dan  kimia  suatu  zat  atau  benda  yang
diukur. (Koestoer, 2004). Pengukuran tahanan jenis tanah
biasanya dilakukan dengan cara :
1.  Metoda  empat  elektroda ( four electrode method ).
2. Metoda tiga titik ( three point method ).
Pengukuran  tahanan  jenis  tanah  dengan metoda  empat  elektroda  menggunakan empat buah elektroda,
sebuah amperemeter  dan  sebuah  Voltmeter yang  sensitive,  sebagaimana  terlihat dalam Gambar 1.
Gambar 1. Pengukuran tahanan jenis tanah dengan metoda empat elektroda
Bila  arus  I  masuk  ke  tanah melalui  salah  satu  elektroda  dan kembali  ke  elektroda  yang  lain  yang cukup jauh sehingga pengaruh diameter  konduktor  dapat  diabaikan. Arus  yang  masuk  ke  tanah  mengalir secara  radial  dari  elektroda,  misalkan arah  arus  dalam  tanah  dari  elektroda  1 ke  elektroda  2  berbentuk  permukaan bola dengan jari-jari r, luas permukaan tersebut  adalah  2πr 2 ,  dan  rapat  arus radial pada jarak r adalah J=I/2πr 2 . Bila ρ  adalah  tahanan  jenis  tanah,  maka kuat  medan  dalam  tanah  pada  arah radial  dengan  jarak  r  adalah  E(r)  =  J. Jadi,
2 2 ) ( r r E I   =
Potensial  pada  jarak  r  dari elektroda  adalah  integral  dari  gaya listrik dari jarak r ke titik tak terhingga :
2 2 ) ( r dr r E V I r     =
Perbandingan  antara  tegangan  dan  arus atau tahanan menjadi :
r R   2 = Dari gambar 1 terlihat, r 13 = r 34 = r 24 = a jadi
      − = a a r V I 2 1 1 2 3   dan       − = a a r V I 1 2 1 2 4  
Beda  tegangan  antara  titik  3  dan  4 adalah :
      + − − = a a a a r V I 1 2 1 2 1 1 2 34   ra I   2 = dan I R V 34 34 = a   2 = Jadi: ρ =
2πaR 34
…………...……………………………
……………………………. (1)
Bila a dalam meter dan R dalam Ohm  maka  tahanan  jenis  dalam  Ohm- meter.  Dengan  alat  ukur  yang  dibuat khusus  untuk  ini  yang  terdiri  dari generator  yang  diputar  dengan  tangan dan Ohm-meter, dapat dibaca langsung tahanan  antara  elektroda  arus  dan elektroda tegangan.
Metoda  tiga  titik  ( three  point method ) dimaksudkan untuk mengukur tahanan  pengetanahan.  Misalkan  tiga buah  batang  pengetanahan  di  mana batang  1  yang  tahanannya  hendak diukur  dan  batang-batang  2  dan  3 sebagai batang pengetanahan
A 4 3 1 2 a a V
pembantu  yang  juga  belum  diketahui tahanannya. Gambar 2.
Gambar 2. Pengukuran tahanan jenis tanah dengan metoda tiga titik
Bila  tahanan  di  antara  tiap-tiap batang  pengetanahan  diukur  dengan arus  konstan,  tiap  pengukuran  dapat ditulis sebagai berikut :
12 22 11 2 1 2 1 2 R R R I R V − + = = − − 13 33 11 3 1 3 1 2 R R R I R V − + = = − − 23 33 22 3 2 3 2 2 R R R I R V − + = = − − 23 13 12 11 3 2 3 1 2 1 2 2 2 2 R R R R I V V V + − − = − + − − − Tetapi 3 2 2 1 3 1 − − − + = V V V Jadi 23 13 12 11 2 1 R R R R I R V + − − = = − Akhirnya 23 13 12 11 R R R R R − + + =
……….……………………….……… …………………. (2) Tahanan  batang  pengetanahan  dari elektroda  1  diberikan  oleh  Persamaan (2). Jika :
0 23 13 12 = − + R R
R
………..……………………………… ………………………… (3)
Keadaan  ini  dapat  diperoleh
dengan  mengatur  posisi  elektroda  2 sehingga  harga  Persamaan  3  dipenuhi.
(Hutauruk : 1991). Karakteristik tahanan pada suatu  tempat  berbeda  –  beda,  dimana kepadatan, temperature dan jenis tanah mempengaruhi  besarnya  tahanan  yang dihasilkan.  Dalam  setiap  pembicaraan tentang  pentanahan,  pertanyaan  yang selalu timbul adalah : “ Seberapa kecil tahanan  pentanahan  ?”.  makin  kecil tahanan  yang  dihasilkan,  makin  baik.
Lebih  jauh  lagi,  untuk  perlindungan atau pengamanan manusia dan peralatan yang digunakan berhubungan dengan catu daya listrik, patut diusahakan  tahanan  tanah  lebih  kecil dari  satu  ohm.  Untuk  memehami mengapa  tahanan  tanah  harus  rendah digunakan hukum ohm, yaitu V = I x R dimana  V  adalah  tegangan,  I  adalah arus  dan  R  adalah  tahanan.  Sebagai contoh, diketahui tegangan sumber 240
V,  Arus  10  A  dengan  tahanan  20 . Misalkan ada gangguan atau kekeliruan, sehingga kabel dari sumber yang  mencatu  motor  listrik menyentuh badan  motor.  Hal  ini  berarti  kabel tersebut  menghubungkan  ke  sistem pentanahan  yang  mempunyai  tahanan 20 ke  tanah.  Menurut  hukum  ohm, akan  ada  arus  sebesar  10  Ampere mengalir  melewati  badan  motor  ke tanah.  Apabila  seseorang  menyentuh badan motor, maka dia akan menerima tegangan  sebesar  200  V  (yaitu  20 x 10  A).  hal  ini  dapat  berakibat  fatal, tergantung pada tahanan orang tersebut yang  bervariasi  dengan  tegangan  yang disentuhnya.  Banyak  cara  atau  metoda untuk  membuat  tahanan  tanah  pada suatu  lokasi  menjadi  rendah.  Nilai resistansi  jenis  tanah  sangat  berbeda- beda  bergantung  pada  jenis  tanah seperti ditunjukkan pada tabel 1.
A 1 2 3 V

## D. METODE PENELITIAN
Gambar 3. Rangkaian Alat Ukur Digital (Sumber : http://ideskema.blogspot.co.id :
2016)
Gambar 4 : Rangkaian Switch pengatur pengukuran Tegangan - Arus (Nasution sofyan, 1987)
Gambar 5 : Rangkaian Tegangan Referensi
(Sumber : http://infolokerharian.blogspot.co.id
: 2015)
Metode yang dilakukan berdasarkan  uji  coba  rangkaian  yang dirancang bangun dan hasil pengukuran.  Alat  pengukur  resistansi pentanahan  digital  ini  merupakan sebuah aplikasi dari rangkaian Voltmeter.  Tercapainya  pengukuran resistansi  pentanahan  dapat  dihasilkan dari  pengukuran  tegangan  dan  arus (V/I). Dalam perancangan alat ukur ini menggunakan  dua  sumber  tegangan yaitu  tegangan  untuk  alat  ukur  dan tegangan  referensi  yang  dialirkan  ke masing  –  masing  elektrode.  Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah tegangan referensi dialirkan ke elektrode – elektrode, karena elektrode ditanam  dalam  tanah  sehingga  akan timbul tegangan balik kemudian disearahkan,  dari  hasil  penyearahan tersebut  akan  tampil  dalam seven
560Ω 180kΩ 22kΩ 12kΩ 1MΩ 470kΩ 100pF 100nF 10nF 47pF 220nF 20kΩ

## Tabel 1
Resistansi jenis tanah (Sumber :  PUIL : 2000)
1 2 3 4 5 6 7 Jenis tanah Tanah rawa Tanah liat & tanah ladang Pasir basah Kerikil basah Pasir dan kerikil kering Tanah berbatu Resistansi Jenis (Ω-m) 30 100 200 500 1000 3000
segment .
Alat  ukur  resistansi  pentanahan ini  terdiri  atas  rangkaian  alat  ukur, rangkaian  tampilan seven  segment , tegangan  referensi,  tegangan  alat  ukur. Dari  gambar  4  dapat  dijelaskan  : Tegangan  referensi  mengalir  pada elektrode  (E,  P,  dan  C),  yang  ditanam dengan  jarak  antar  elektroda  sejauh  5 meter,  jika  tanah  tersebut  kering  maka tegangan  referensi  akan drop sehingga V  referensi  turun  V  balik  kecil sehingga  resistansi  yang  dihasilkan juga  kecil,  begitu  juga  sebaliknya untuk  tanah  basah.  dari  hasil  umpam balik  tegangan  referensi  disearahkan dengan diode (D 1 ), kemudian diproteksi oleh R 5 ke IC 7107 kaki no
30,  masuk  ke  dalam IC  yang didalamnya terdapat rangkaian decoder
BCD  seven  segment,  dan  rangkaian ADC.  Untuk mengkalibrasi hasil pengukuran  dapat  dilakukan  dengan cara  memutar  VR 1 ke  kanan  atau  ke kiri.
Untuk pengukuran tahanan pentanahan  menggunakan  metoda  tiga titik  ( three  point  method ).  Elektroda  – elektroda  ditanam  pada  lokasi  yang hendak diukur. Elektroda yang pertama kali  ditanam  adalah  elektroda  E, kemudian elektroda C, dengan demikian  akan  ada  beda  potensial antara  elektroda  E  dan  elektroda  C yang  ditimbulkan  dari  Catu  Daya (Tegangan  Referensi).  Jarak  antara elektroda  E  dan  C    yang  ditanam tersebut  harus  cukup  jauh,  seperti terlihat pada gambar 6.
Gambar 6. Pengujian tahanan tanah
Dengan demikian ada arus yang mengalir yang diukur dengan amperemeter.  Apabila  elektroda  P sekarang  ditanam  diantara  elektroda  E dengan  elektroda  C  dan  Voltmeter dihubungkan  maka  voltmeter  tersebut akan  menunjukkan  harga  tegangan antara  E  dan  P,  selanjutnya  dengan menggunakan hukum ohm dapat ditentukan  besarnya  tahanan  tanah tersebut (R = V/I).
Sebagai  contoh  misalkan  suatu lokasi  yang  hendak  diketahui  besar tahanan tanahnya maka ditanam elektroda – elektroda tersebut (E, P dan
C),  besar  tegangan  sumber  antara elektroda  E  dan  elektroda  C  adalah  50 Volt, arus yang terukur pada amperemeter  adalah  1  A.  selanjutnya diukur besarnya tegangan antara elektroda  E  dan  elektroda  P,  dimana
Voltmeter menunjukkan besarnya tegangan  25  V.  maka  besar  tahanan tanah  pada  lokasi  tersebut  adalah  R  =
V/I = 25/1 = 25 ohm.
Dalam  pengujian  menggunakan alat  ini  perlu  diperhatikan  hal  –  hal sebagai berikut :
1. Tanam elektrode dalam tanah (3 elektrode)
2. Hubungkan  elektrode  ke  probe alat  ukur  yaitu  :  Elektrode  E, Elektrode P, Elektrode  C.
3. Setelah  semua  terpasang  geser saklar SW1 pada posisi ON dan saklar  SW2  pada  posisi  2 hingga  layar seven  segment
menunjukkan tampilan nilai tegangan terukur. 4. Untuk menampilkan pengukuran  arus  maka  geser saklar SW2 ke posisi 1 5. Dan  hitunglah  V/I  yang  terukur untuk  mendapatkan  pengukuran resistansi. Dalam  kondisi  alat  ukur  tidak terhubung dengan elektroda SW2 tidak
boleh  pada  kondisi  ON,  karena    pada saat    tanpa    beban  tegangan  yang ditimbulkan  sangat  besar  sehingga dapat merusak IC 7107.

## E. HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk  menguji  ketelitian  alat yang dibuat maka pengukuran dilakukan dengan enam macam kedalaman  elektroda,  dan  tiga  tempat yang berbeda. Sedangkan untuk mencari  prosentase  kesalahan  yaitu membandingkan antara hasil pengukuran alat ukur analog  yang ada dengan hasil pengukuran yang dirancang bangun, dirumuskan sebagai berikut:
% 100 ) ( Pr x HU HU HU PK salahan osentaseKe AA AA AD − =
Keterangan : HU AD =  Hasil  pengukuran  dengan  alat ukur digital HU AA =  Hasil  pengukuran  dengan  alat ukur analog
Tabel 2
Hasil Pengujian dan Perhitungan Ke-1 Prosentase Kesalahan Pengukuran Tahanan Pentanahan di Sebelah Barat Gedung Fakultas Teknik (FT)

## Tabel 3
Hasil Pengujian dan Perhitungan Ke-2 Prosentase Kesalahan Pengukuran
Tahanan Pentanahan di Sebelah Timur Gedung FT
NO Kedalaman Elektroda (cm) Pengukuran dengan Alat % Kesalahan ukur Digital (Ω-m) Analog (Ω-m) 1.  30 375 410 8,53 2.  50 150 140 7,14 3.  60 132 120 10,00 4.  70 100 110 9,09 5.  80 90 85 5,88 6.  90 80 70 14,29 PK Rata  – rata 9,16

## Tabel 4
Hasil Pengujian dan Perhitungan Ke-3 Prosentase Kesalahan Pengukuran Tahanan Pentanahan di Sebelah Selatan
Gedung FT NO Kedalaman Elektroda (cm) Pengukuran dengan Alat % Kesalahan ukur Digital (Ω-m) Analog (Ω-m) 1  30 390 405 3,70 2  50 165 160 3,13 3.  60 140 155 9,67 4.  70 110 120 8,33 5.  80 98 105 6,66 6.  90 75 80 6,25 PK Rata  – rata 6,29 Dari  PK  rata  –  rata  pada pengujian  1,  2,  dan  3  dapat  diperoleh Prosentase kesalahan alat ukur tahanan pentanahan  secara  keseluruhan  adalah sebagai berikut :
3 3 2 1 rata rata rata rata rata rata AlatUkur PK PK PK PK − − − + + = 3 00 , 5 15 ,
9 19 , 5 + + = AlatUkur PK % 29 , 6 = NO Kedalaman Elektroda (cm)
Pengukuran dengan Alat Ukur % Kesalahan Digital (Ω-m) Analog (Ω-m) 1.  30 422 409 3,17 2.  50 153 145 5,52 3.  60 119 123 3,25 4.  70 100 105 4,76 5.  80 86 95 9,47 6.  90 76 80 5,00 PK  Rata – rata 5,19

## F. KESIMPULAN DAN SARAN
1. Dalam  rancang  bangun  alat ukur tahanan tanah ini menggunakan dua suplay tegangan  yaitu  tegangan  untuk alat ukur dan tegangan referensi.  Prinsip  kerjanya yaitu tegangan  referensi  dialirkan  ke elektrode  –  elektrode,  karena elektrode  ditanam  dalam  tanah sehingga  akan  timbul  tegangan balik  kemudian  disearahkan, dari  hasil  penyearahan  tersebut akan tampil dalam seven segment yang  memiliki  batasan
pengukuran  maksimum  empat Digit.
2. Prosentase  Kesalahan  alat  ukur terbesar yang di rancang bangun adalah  9,15%  termasuk  cukup akurat,  yaitu  dibawah  10% sedangkan  rata-rata  prosentase kesalahan adalah 6,29%.
3. Dalam  pengunaan  alat  ukur  ini harus  hati-hati  karena  tegangan
referensi  yang  cukup  tinggi sehingga dapat
membuat tegangan  kejut  pada  elektroda apabila belum terpasang dengan baik.

## DAFTAR PUSTAKA
Hutauruk,  T.S,  1991.  Pengetanahan Netral Sistem Tenaga dan Pentanahan  Peralatan,  Erlangga, Jakarta. Jamaaluddin, Sumarno. 2017, Perencanaan Sistem Pentanahan Tenaga Listrik Terintegrasi Pada Bangunan, JEEE-U (Journal of Electrical and Electronic Engineering- UMSIDA),  vol.  1,  No.  1, Sidoarjo
Koestoer,  R.A,  2004, Pengukuran Teknik , Diktat Kuliah ISBN 979-
97726-1-3, Jakarta.
Nasution  sofyan,  1987, Analisis  dan
Desain Rangkaian Terpadu Digital , Erlangga, Jakarta SNI  04-0225-2000.  2000. Persyaratan Umum  Instalasi  Listrik  2000 (PUIL  2000) .  Yayasan  PUIL, Jakarta.
http://ideskema.blogspot.co.id/2016/05/ 2-skema-rangkaian-voltmeter- digital.html , Juli, 2017
http://infolokerharian.blogspot.co.id/201
5/09/membuat-rangkaian-catu- daya-tegangan.html , Sept ember,
2017.