Pemberian kalor pada kawat pemanas sebesar 2.8 Watt dapat menaikkan suhu sensor berpemanas sebesar 5 Co lebih tinggi pada laju aliran 0.05 m/s pada pipa dengan
diameter 2.3 cm. Dengan pemberian kalor tersebut, sensor memiliki potensi mengukur laju aliran air hingga lebih dari 1.2 m/s.
Dengan sistem kalibrasi debit yang telah dibuat, pengukuran laju aliran tidak dapat menggunakan sebuah sensor suhu saja. Sehingga diperlukan dua sensor untuk mengukur laju aliran air pada sistem kalibrasi tersebut. Pada saat pengukuran di lapangan, pada suhu air yang relatif tetap maka laju aliran dapat menggunakan satu sensor dengan cara mengukur selisih suhu sebelum sensor diberikan arus listrik dan setelah sensor diberikan arus listrik.
Pengukuran laju aliran air dapat dilakukan dengan memanfaatkan sensor suhu LM35 DZ. Pada laju aliran yang rendah, respon alat terhadap perubahan suhu sangat tinggi dan berkurang dengan meningkatnya volume air yang melewati sensor laju aliran. Dengan menggunakan sensor yang diberikan kalor sebesar 2.8 Watt, persamaan yang digunakan untuk menentukan laju aliran adalah x = 5.512 e-93y , dimana x adalah laju aliran air dan y adalah selisih antara suhu sensor dan suhu air.
5.2 Saran
Penelitian ini menggunakan sistem kalibrasi dengan laju aliran maksimum kurang dari 1.2 m/s sehingga diperlukan penelitian lanjut untuk laju aliran yang lebih tinggi agar dapat menguji model yang telah diperoleh. Penelitian lebih lanjut juga diperlukan untuk mengetahui pengaruh asumsi yang digunakan terhadap hasil pengukuran seperti pengaruh ukuran pipa,
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 P e n gu k u r an Model
ukuran sensor, penentuan laju aliran, nilai koefisien konveksi serta jumlah kalor yang diberikan. Untuk memperkecil pengaruh turbulensi, dapat digunakan sensor suhu termokopel yang memiliki bentuk lebih kecil.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmed, A. 2009. Manual of British Columbia Hydrometric Standard.
British Columbia, Canada. Resources Information Standards Committee.
Blundell, S. J., Katherine M. B. 2006. Concept in Thermal Physics. New York: Oxford University Press.
Boer, H. J. 1995. A New Approach for Measuring (Very) Small Liquid Flows. Proceedings SENSOR 95. p.p. 97 - 102.
Huang, H. 2004. Index-velocity rating development for rapidly changing flows in an irrigation canal using broadband StreamPro ADCP and ChannelMaster H-ADCP. Proceedings
of Rivers’04, First International Conference on Managing Rivers in the 21st Century: Issues and Challenges, 146-154.
Kane, J. W., Sternheim, M. M. 1984. Physics. Singapore: John Wiley & Sons, Inc.
Massoud, M. 2005. Engineering Thermofluids: thermodynamics, fluid mechanics, and heat transfer. Verlag Berlin Heidelberg, Germany: Springer.
National Semiconductor Corporation. 2000.
LM117/LM217/LM317 3-Terminal
Adjustable Regulator.
[www.national.com/ds/LM/LM117.pdf,
diakses tanggal 31 Mei 2011]
National Semiconductor Corporation. 2000.
LM35 Precision Centigrade
Temperature Sensors.
[www.national.com/ds/LM/LM35.pdf ,
diakses tanggal 4 Februari 2011]
National Semiconductor Corporation. 2000.
LM741 Operational Amplifier.
[http://www.national.com/mpf/LM/LM 741.html#Overview, diakses tanggal 28 mei 2011]
O’Hanlon, J. F. 2003. A User's Guide to Vacuum Technology. New Jersey: John Wiley and Sons, Inc.
Petruzella, F. D. 2001. Elektronik Industri. Terjemahan Oleh Sumanto. Yogyakarta: Andi Publisher
Rahman, S. 2008. Efektifitas Pembelajaran Melalui Penerapan Student Center Learning pada Mata Kuliah Hidrografi. Modul Pembelajaran. Lembaga Kajian Dan Pengembangan Pendidikan (LKPP). Universitas Hasanudin.
Richards, P. R. 1998. Manual of Standard Operating Procedures for Hydrometric Surveys in British Columbia. Resources Inventory Committee. BC-Canada
Sosna, C. 2011. Response time of thermal
flow sensors with air as fluid, Sens.
Actuators A: Phys.
doi:10.1016/j.sna.2011.02.023. [http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S092442471100080X, diakses tanggal 15 Agustus 2011]
Sukomel, A. S., Varvara A. O., Isachenko V. P. 2008. Heat Transfers. Maharashtra: Nirali Prakashan
Lampiran 1 Tampilan data logger
Lampiran 3 Rangkaian pembangkit arus konstan
Lampiran 5 Sistem kalibrasi dengan dua sensor
ABSTRACT
RUSIANTO. Characterization of Thermal Water Current Meter Sensor ( Laboratory test in Pipe Flow).Supervised by Prof. Dr. Ir. Hidayat PawitanandIr. Bregas Budianto, Ass. Dpl
Thermal type water flow meter is a device to measure water flow rate using thermal sensor.
There’s two sensor inside this device which one of the sensor is wrapped by heated wire. Flow rate measurement is using difference value between the temperature of sensor that wrapped by heated wire with the temperature of flowing water. The principal of this device is heat transfer between the sensor and the water, so the flow rate is measurable. If the flow rate increasing then the temperature difference between sensor and water is decreasing, vice versa.
Based on simulation, low flow rate make the device getting more sensitive and the sensitivity is decreasing as the flow rate is increasing. On low flow rate, the temperature difference between the heated sensor with water flow is very small, so to get more visible result, this device is using differential amplifier. This way, the slightest temperature difference between the heated sensor and water flow is visible even for higher flow rate. Flow rate measurement done to a calibration system made. Flow rate is determined with measuring rate debit then divided by pipe sectional area and value of flow rate can be obtained. Calibration system is using a 2.3cm diameter pipe and the distance between two sensors is 15cm. The heat that is given to heated wire is 2.8 Watt which can increase the temperature of the sensor by 5Co if the flow rate is 0.05 m/s. The equation that obtained by calculation is x = 5.512 e-93y where x is the water flow rate and y is the temperature difference between heated sensor with the water. There is difference between model simulation with the calculation result in this research. It is caused by assumption that applied during the time of calculation.
ABSTRAK
Rusianto. Karakterisasi Alat Ukur Laju Aliran Air Tipe Sensor Termal (Uji Laboratorium pada Aliran Pipa). Dibimbing Oleh Prof. Dr. Ir. Hidayat Pawitan dan Ir. Bregas Budianto, Ass. Dpl
Water Flow Meter tipe termal merupakan alat pengukur laju aliran air dengan menggunakan sensor suhu. Alat ini menggunakan dua buah sensor yang salah satu sensor dililit kawat pemanas. Pengukuran laju aliran menggunakan nilai selisih suhu antara suhu sensor yang dililit kawat pemanas dengan suhu air yang mengalir. Dengan menggunakan prinsip pindah panas maka laju aliran air dapat diukur dengan menggunakan alat ini. Semakin besar laju aliran, maka nilai selisih suhu sensor berpemanas dengan suhu air akan semakin kecil, begitu juga sebaliknya.
Berdasarkan simulasi, sensitivitas sensor pada laju aliran rendah sangat tinggi dan berkurang seiring dengan meningkatnya volume air yang melalui sensor. Pada laju aliran yang rendah, nilai selisih suhu sensor berpemanas dengan suhu air sangat kecil sehingga alat ini menggunakan aplikasi dari differential amplifier agar dapat melihat perubahan selisih suhu pada laju aliran yang tinggi. Pengukuran laju aliran dilakukan pada sistem kalibrasi yang telah dibuat. Laju aliran ditentukan dengan mengukur debit aliran kemudian dibagi dengan luas penampang pipa sehingga diperoleh nilai laju aliran air. Pipa yang digunakan pada sistem kalibrasi memiliki diameter 2.3 cm dengan jarak antar kedua sensor 15 cm. Kalor yang diberikan pada kawat pemanas sebesar 2.8 Watt yang dapat menaikkan suhu sensor berpemanas sebesar 5 Co pada laju aliran 0.05 m/s. Dari hasil pengukuran diperoleh persamaan x = 5.512 e-93y dimana x adalah laju aliran air dan y adalah selisih suhu antara sensor berpemanas dengan suhu air. Dalam penelitian ini, terdapat perbedaan antara simulasi model dengan hasil pengukuran. Hal ini disebabkan oleh perbedaan asumsi-asumsi yang digunakan dengan kondisi pada saat pengukuran.
I.PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Data primer sangat dibutuhkan dalam berbagai pengamatan maupun penelitian. Pemanfaatan alat ukur merupakan cara yang paling utama dalam memperoleh data primer tersebut. Alat ukur yang tersedia semakin berkembang dengan adanya kemajuan teknologi. Perkembangan alat ukur sesuai dengan kebutuhan semakin banyak dibutuhkan dalam berbagai bidang penelitian.
Dalam bidang hidrologi, informasi debit sungai merupakan komponen yang sangat penting dalam pengelolaan daerah aliran sungai (DAS). Kemampuan pengukuran debit aliran sungai sangat diperlukan untuk mengetahui sifat sumberdaya air di suatu wilayah DAS. Debit aliran dapat dijadikan sebagai alat untuk memonitor dan mengevaluasi neraca air suatu kawasan melalui pendekatan potensi sumberdaya air permukaan yang ada. Dalam pengukuran debit air, ada beberapa metode yang digunakan salah satunya adalah pengukuran tidak langsung dengan menggunakan area velocity method. Debit air diduga dengan menggunakan persamaan yang merupakan perkalian antara luas penampang sungai dengan laju aliran sungai. Laju aliran sungai didapat dengan menggunakan current meter.
Sebuah current meter yang ideal harus memiliki respon yang cepat dan konsisten dengan setiap perubahan yang terjadi pada kecepatan air, dan harus secara akurat dan terpercaya sesuai dengan komponen kecepatan. Juga harus tahan lama, mudah dilakukan pemeliharaan, dan mudah digunakan dengan kondisi lingkungan yang berbeda-beda (Richards 1998). Dalam pengukuran laju aliran, kondisi lapangan yang berbeda-beda menyebabkan beberapa tipe current meter hanya dapat digunakan hanya pada kondisi tertentu. Current meter
tipe mekanik, tidak dapat mengukur kecepatan laju aliran air yang sangat kecil. Di daerah yang sangat dangkal atau daerah dengan biota perairan yang banyak, Current meter tipe mekanik tidak bisa digunakan karena habitat yang terdapat pada perairan tersebut dapat terganggu akibat perputaran mekanik pada baling-baling current meter
(Rahman 2008).
Current meter tipe elektromagnetik dan tipe akustik memiliki keunggulan dalam hal pengukuran di daerah dangkal dan dapat mengukur laju aliran yang sangat rendah.
Kelebihan lain dari tipe akustik adalah dapat mengukur laju aliran secara cepat dan akurat (Huang 2004). Untuk mendapatkan alat-alat tersebut diperlukan biaya yang sangat besar sehingga diperlukan alternatif lain untuk mengukur laju aliran air. Untuk keperluan penelitian biota perairan, pengukuran laju aliran biasanya menggunakan benda terapung yang di ukur jarak tempuh pada waktu tertentu sehingga didapat nilai laju aliran. Penggunaan benda terapung tersebut tidak akurat karena hanya dapat mengukur laju aliran pada permukaan air.
Current meter dengan menggunakan sensor suhu merupakan suatu pendekatan yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran laju aliran pada kondisi-kondisi tersebut. Selain tidak memerlukan biaya yang tinggi, alat ini memiliki bentuk yang sangat kecil, dan pembuatan yang lebih mudah.
1.2 Tujuan
Mengembangkan alat ukur laju aliran air dengan menggunakan sensor suhu dan menguji karakteristiknya
II.TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Alat Pengukur Laju Aliran ( Current
Meter )
Menurut Ahmed (2009), ada berbagai macam jenis current meter yang tersedia dan sering digunakan. Current meter terbagi menjadi tiga kategori utama: Current meter
mekanik, current meter elektromagnetik dan
current meter akustik.
2.2.1Current Meter Mekanik
Semua current meter mekanik memiliki prinsip kerja dengan mngeubah kecepatan linear menjadi kecepatan angular. Terdapat dua jenis current meter mekanik yaitu
vertical-axis meter dan horizontal-axis meter. Sebelum digunakan kedua jenis
current meter tersebut harus di kalibrasi dengan menghubungkan antara jumlah putaran baling-baling dengan laju aliran air.
Tiga tipe vertical-axis meter yang sering digunakan adalah Price Type AA meter, WSC winter meter dan Pygmy meter. Di antara ketiganya, Price Type AA meter
memiliki kualitas yang lebih baik dibandingkan dengan yang lainnya dan selalu digunakan pada berbagai macam penelitian dan cocok untuk segala kondisi di lapangan.
I.PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Data primer sangat dibutuhkan dalam berbagai pengamatan maupun penelitian. Pemanfaatan alat ukur merupakan cara yang paling utama dalam memperoleh data primer tersebut. Alat ukur yang tersedia semakin berkembang dengan adanya kemajuan teknologi. Perkembangan alat ukur sesuai dengan kebutuhan semakin banyak dibutuhkan dalam berbagai bidang penelitian.
Dalam bidang hidrologi, informasi debit sungai merupakan komponen yang sangat penting dalam pengelolaan daerah aliran sungai (DAS). Kemampuan pengukuran debit aliran sungai sangat diperlukan untuk mengetahui sifat sumberdaya air di suatu wilayah DAS. Debit aliran dapat dijadikan sebagai alat untuk memonitor dan mengevaluasi neraca air suatu kawasan melalui pendekatan potensi sumberdaya air permukaan yang ada. Dalam pengukuran debit air, ada beberapa metode yang digunakan salah satunya adalah pengukuran tidak langsung dengan menggunakan area velocity method. Debit air diduga dengan menggunakan persamaan yang merupakan perkalian antara luas penampang sungai dengan laju aliran sungai. Laju aliran sungai didapat dengan menggunakan current meter.
Sebuah current meter yang ideal harus memiliki respon yang cepat dan konsisten dengan setiap perubahan yang terjadi pada kecepatan air, dan harus secara akurat dan terpercaya sesuai dengan komponen kecepatan. Juga harus tahan lama, mudah dilakukan pemeliharaan, dan mudah digunakan dengan kondisi lingkungan yang berbeda-beda (Richards 1998). Dalam pengukuran laju aliran, kondisi lapangan yang berbeda-beda menyebabkan beberapa tipe current meter hanya dapat digunakan hanya pada kondisi tertentu. Current meter
tipe mekanik, tidak dapat mengukur kecepatan laju aliran air yang sangat kecil. Di daerah yang sangat dangkal atau daerah dengan biota perairan yang banyak, Current meter tipe mekanik tidak bisa digunakan karena habitat yang terdapat pada perairan tersebut dapat terganggu akibat perputaran mekanik pada baling-baling current meter
(Rahman 2008).
Current meter tipe elektromagnetik dan tipe akustik memiliki keunggulan dalam hal pengukuran di daerah dangkal dan dapat mengukur laju aliran yang sangat rendah.
Kelebihan lain dari tipe akustik adalah dapat mengukur laju aliran secara cepat dan akurat (Huang 2004). Untuk mendapatkan alat-alat tersebut diperlukan biaya yang sangat besar sehingga diperlukan alternatif lain untuk mengukur laju aliran air. Untuk keperluan penelitian biota perairan, pengukuran laju aliran biasanya menggunakan benda terapung yang di ukur jarak tempuh pada waktu tertentu sehingga didapat nilai laju aliran. Penggunaan benda terapung tersebut tidak akurat karena hanya dapat mengukur laju aliran pada permukaan air.
Current meter dengan menggunakan sensor suhu merupakan suatu pendekatan yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran laju aliran pada kondisi-kondisi tersebut. Selain tidak memerlukan biaya yang tinggi, alat ini memiliki bentuk yang sangat kecil, dan pembuatan yang lebih mudah.
1.2 Tujuan
Mengembangkan alat ukur laju aliran air dengan menggunakan sensor suhu dan menguji karakteristiknya
II.TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Alat Pengukur Laju Aliran ( Current
Meter )
Menurut Ahmed (2009), ada berbagai macam jenis current meter yang tersedia dan sering digunakan. Current meter terbagi menjadi tiga kategori utama: Current meter
mekanik, current meter elektromagnetik dan
current meter akustik.
2.2.1Current Meter Mekanik
Semua current meter mekanik memiliki prinsip kerja dengan mngeubah kecepatan linear menjadi kecepatan angular. Terdapat dua jenis current meter mekanik yaitu
vertical-axis meter dan horizontal-axis meter. Sebelum digunakan kedua jenis
current meter tersebut harus di kalibrasi dengan menghubungkan antara jumlah putaran baling-baling dengan laju aliran air.
Tiga tipe vertical-axis meter yang sering digunakan adalah Price Type AA meter, WSC winter meter dan Pygmy meter. Di antara ketiganya, Price Type AA meter
memiliki kualitas yang lebih baik dibandingkan dengan yang lainnya dan selalu digunakan pada berbagai macam penelitian dan cocok untuk segala kondisi di lapangan.
Gambar 1 Price Type (622) AA meter. (Sumber: Ahmed 2009)
Horizontal-axis meter Sangat baik dipergunakan pada daerah yang memiliki turbulens yang tinggi dengan kemampuan mengukur arus deras baik dengan posisi horizontal maupun vertikal. Dilengkapi dengan rotor yang memiliki keseimbangan saat menghadapi pergerakan linear.
Semua model menggunakan magnetis permukaan beralih untuk menghasilkan hitungan rotasi dalam bentuk pulsa, sehingga dapat menghindari terjadinya gesekan pada komponen yang berdekatan.
Gambar 2 OTT C2 Current Meter (Horizontal-Axis Meter).
(Sumber: Ahmed 2009)
2.2.2 Current Meter Elektromagnetik
Current Meter elektromagnetik mengukur kecepatan aliran dengan menggunakan hukum Faraday. Konduktor (air) yang bergerak pada suatu medan gaya akan menghasilkan tegangan yang nilainya sebanding dengan kecepatan aliran. Elektroda pada alat menerima sinyal tegangan yang kemudian diterjemahkan ke dalam angka yang berupa kecepatan aliran air. Tidak ada gangguan kerja mekanik pada alat ini karena tidak ada bagian alat yang bergerak seperti pada current meter
mekanik. Sensor aliran elektromagnetik dapat mendeteksi aliran yang sangat kecil dan dapat digunakan pada lokasi dimana
current meter mekanik tidak dapat digunakan seperti pada daerah yang memiliki tanaman air dalam jumlah yang besar, air yang terkontaminasi, perairan
dangkal, dan perairan dengan keceptan yang sangat pelan. Biasanya alat ini digunakan untuk mempelajari habitat biota perairan.
Gambar 3 OTT Nautilus C 2000
Elektromagnetic Flow Sensor (0-2.5 m/s).
(Sumber: Ahmed 2009)
2.2.3 Current Meter Akustik
Acoustic Doppler Velocity (ADV) meter
merupakan salah satu contoh alat akustik yang dikembangkan untuk mengukur laju aliran dalam dua atau tiga dimensi. Alat ini terbagi menjadi dua bagian yaitu pemancar sinyal dan penerima sinyal yang mengukur laju aliran pada 0.25 cc volume air yang terletak 10 cm pada sensor. Pemancar memancarkan sinyal pada sampel air kemudian sinyal akustik akan dipantulkan kembali oleh partikel tersuspensi yang ada di air yang diterima oleh penerima sinyal.
Dibandingkan dengan current meter
mekanik, ADV meter memiliki beberapa keunggulan seperti area kecepatan yang lebih luas, pengukuran pada area yang lebih dangkal, dan tidak memerlukan kalibrasi ulang. Alat ini dapat menambah kualitas data pada kecepatan yang sangat rendah dan memiliki daya tahan yang tinggi.
Gambar 4 Acoustic Doppler Velocity Meter
(0.001 – 4.0 m/s).
2.2 Thermal Flow meter
Thermal flow meter atau sering juga disebut sebagai thermal mass flow meter
merupakan alat pengukur laju aliran fluida atau dapat digunakan sebagai pengatur laju aliran fluida dengan menggunakan prinsip-prinsip perpindahan panas. Laju aliran dihitung dari jumlah panas per satuan waktu yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sejumlah fluida (O’Hanlon 2003).
Ada banyak jenis thermal flow meter
yang tersedia. Biasanya alat ini digunakan untuk mengukur laju aliran berbagai jenis fluida dengan sensitivitas yang tinggi. Menurut Sosna (2011) thermal flow meter
dapat dilihat karakteristiknya dari senstivitas, akurasi, kemampuan untuk dibuat ulang, rentang pengukuran dan waktu respon alat tersebut.
Gambar 5 Prinsip kerja thermal flow meter.
2.3 Sensor suhu
Menurut Petruzella (2001), terdapat empat jenis utama sensor suhu, yaitu;
thermocouple (T/C), resistance temperature detector (RTD), termistor dan Integrated Circuit (IC) sensor. Thermocouple pada dasarnya terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan bersama, nilai suhu merupakan perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Resistance Temperature Detector (RTD) merupakan sensor yang didasari pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat kestabilan yang tinggi pada pendeteksian tahanan. Platina merupakan bahan yang sering digunakan karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas yang tinggi. Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan hambatan 5% per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil. IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear. IC yang biasanya digunakan untuk mengukur suhu adalah IC LM35.
Gambar 6 Profil suhu pada thermal mass flow meter.
2.4 Sensor Suhu LM35 DZ
Gambar 7 Sensor LM35 DZ. (Sumber : www.national.com)
Suhu lingkungan dapat di deteksi dengan menggunakan IC yang peka terhadap suhu. Sensor suhu LM35 DZ merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor suhu ini memiliki keakuratan yang tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu lainnya. LM35 DZ juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linearitas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Catu daya yang digunakan berkisar antara 4 sampai 30 volt sehingga dapat menggunakan catu daya tunggal dengan ketentuan LM35 DZ hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA. Hal ini menyebabkan LM35 DZ mempunyai kemampuan menghasilkan panas (Self Heating) yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu sebesar 0.08 oC pada suhu udara. Sensor ini memiliki jangkauan operasi maksimal operasi suhu antara 0 oC hingga 100 oC, waktu tanggap yang cepat dan memiliki sensitivitas suhu dengan faktor skala linear antara tegangan dan suhu sebesar 10 mV/oC, sehingga dapat langsung dikalibrasi kedalam satuan Celsius (National Semiconductor 2000).
2.5 Perpindahan Panas
Apabila terdapat dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur