PE7GUKURA7 ALIRA7 FLUIDA

Hasil Pembelajaran

Setelah interaksi pembelajaran dalam bab ini, mahasiswa diharapkan dapat menguraikan tentang piranti-piranti pengukuran fluida.

Kriteria Penilaian

Keberhasilan saudara dalam menguasai bab ini dapat diukur dengan kriteria sebagai berikut :

1. Menjelaskan tentang pengukuran sifat-sifat atau parameter aliran seperti laju atau ke"epatan, tekanan, temperatur serta laju aliran =%lumetrik  ( debit  atau laju aliran massa dalam suatu sistem fluida.

!. Menjelaskan pengukuran-pengukuran jarak jauh yang menggunakan telemeter yang melibatkan met%de-met%de elektr%nis.

Sumber Pustaa Buu Utama!

$%hn &. '%bers%n, layt%n ).r%we, 1**+ "En#ineerin# Flui$ %e&'ani&s( , Sith diti%n, $%hn iley  S%ns, 0n".

'anald. . 2iles, 1**3, "%eania Flui$a $an Hi$raulia( , disi ke-!, rlangga, $akarta.

Buu Penunjan#!

4ugdale 5.', 1*63, "%eania Flui$a( , disi ke-#, rlangga, $akarta. 7rank. M. hite, 1**8, "%eania Flui$a( , disi ke-!, rlangga, $akarta.

'%bert 9. 4augherty, $%seph . 7ran;ini, 1*6*, "Flui$ %e&'ani&s )it' En#ineerin# A**li&ati+ns(, M"2raw-5ill %%k %mpany.

Pen$a'uluan

5ampir semua masalah kerekayasaan fluida dalam praktek memerlukan  pengaturan aliran se"ara "ermat. 4iperlukan pengukuran sifat-sifat atau parameter 

aliran seperti laju atau ke"epatan, tekanan, temperatur serta laju aliran =%lumetrik  ( debit  atau laju aliran massa dalam suatu sistem fluida. <engukuran besar- besaran ini antara lain diperlukan dalam :

1. <engendalian pr%ses manufa"turing.

!. <engujian unjuk kerja peralatan-peralatan seperti p%mpa, turbin, kipas, bl%wer, baling-baling dan aer%f%il.

#. Studi-studi hidr%l%gi sehubungan dengan "urah hujan, drainase daerah genangan air dan pembagian serta pengendalian air dalam sistem-sistem irigasi.

8. <enentuan harga apabila suatu fluida diperjualbelikan, misalnya air, gas, uap untuk pr%ses pemanasan dan bahan bakar "air.

>. Kegiatan-kegiatan eksperimen dalam pr%gram-pr%gram riset serta  pengembangan.

)eknik-teknik pengukuran aliran fluida makin lama makin k%mpleks karena makin besarnya kebutuhan akan inf%rmasi yang lebih rin"i serta karena diperlukannya pengukuran-pengukuran jarak jauh yang menggunakan telemeter  yang melibatkan met%de-met%de elektr%nis.

4alam bab ini akan dibahas tentang pengukuran ke"epatan dan  pengukuran =%lume atas debit aliran dalam pipa dan saluran terbuka.

Ke"epatan biasanya diukur se"ara tidak langsung melalui pengukuran selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan aliran bebas, dari selisih laju sebuah r%da berkisi, dari beda efek pendinginan yang dialami sebuah silinder tipis melintang aliran, serta dari sudut bidang kejut miring dalam sebuah alikran gas supers%nik. 4an dalam beberapa situasi ke"epatan diukur langsung dengan menentukan jarak yang ditempuh %leh partikel-partikel terapung dalam fluida  pada suatu selang waktu tertentu. Met%de-met%de tersebut menggunakan teknik 

atau piranti-piranti yang berbeda-beda,dan dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. 9intasan pelampung atau partikel-partikel yang terapung.

!. <iranti-piranti mekanis yang berputar : a. &nem%meter awang

 b. '%t%r Sa=%niur 

". Meteran baling-baling d. Meteran turbin

#. Meteran arus elektr%magnetik. 8. Kawat panas dan selaput panas. >. &nem%meter 4%pler-9aser (&49 3. )abung pit%t

<iranti-piranti tersebut gambar sketsanya ditunjukkan dalam gambar +.1. pada halaman berikut ini.

gbr 1 halaman

Gambar 5-. Piranti*iranti meteran e&e*atan

a. &nem%meter tiga "awang e. &nem%meter kawat panas

 b. '%t%r sa=%niur f. &nem%meter selaput panas ". Meteran turbin g. )abung pit%t

d. Meteran baling-baling h. &nem%meter 4%pler-9aser 

<elampung atau partikel-partikel )erapung

Met%de ini adalah met%de pengukuran langsung yang sangat praktis untuk  menentukan ke"epatan aliran fluida. $arak yang ditempuh %leh partikel-partikel yang hanyut dalam aliran diukur dalam selang waktu tertentu sehingga ke"epatan aliran dapat diketahui.

 Piranti-piranti Mekanis Yang Berputar 

<iranti berputar dapat dipakai dalam gas atau ;at "air, dan laju r%tasinya sebanding dengan ke"epatan aliran listrik yang terjadi setiap satu re=%lusi, sehingga jumlah k%ntak aliran listrik yang terjadi setiap selang waktu merupakan ukuran langsung laju rata-rata fluida di daerah "akupan alat ukur.

 Meteran Elektromagnetis

Meteran ini menggunakan dua elektr%da yang dipasang di dalam atau dekat aliran. &danya gerak fluida menimbulkan tegangan elektrik antara dua elektr%da tersebut.

 Anemometer Kawat Panas

&lat ukur ini memanfaatkan efek pendinginan k%n=eksi pada sebuah silinder yang sengaja dipanaskan dan dipasang tegak lurus terhadap aliran fluida. Kal%r yang hilang pada kawat panas tergantung pada ke"epatan aliran melintasi silinder itu.

&nem%meter kawat panas tidak digunakan untuk mengukur pr%fil-pr%fil ke"epatan yang gradien ke"epatannya besar, alat ini juga digunakan dalam  pengukuran intensitas tur=alensi dalam gas.

Karena rapuh dan mudah rusak, anem%meter kawat panas ini tidak "%"%k  untuk aliran ;at "air sebab kerapatannya yang besar dan endapan yang hanyut didalam aliran itu akan langsung memutuskan kawat tersebut. Sehingga untuk  aliran ;at "air digunakan anem%meter selaput panas.

 Anemometer Deppler-Laser ADL!

4alam &49 sinar laser yang sangat terf%kus, sinar k%heren satu warna atau m%n%kr%matis dilewatkan melalui aliran. <artikel-partikel yang melalui =%lume pengukur berbentuk elips%id menghantarkan berkas-berkas "ahaya.

erkas-berkas "ahaya yang telah terhantar itu kemudian melalui sistem %ptis penerima menuju ke sebuah f%t% detekt%r yang mengubah "ahaya itu menjadi isyarat elektrik. Lleh sebuah pr%ses%r sinyal, isyarat elektrik tadi diubah menjadi tegangan elektris dan ke"epatan yang terukur diberikan %leh rumus (+.1.

 ? )

∆

f / ! sin (

θ

 / !  AAAAAAAAAAAA.. ( +.1  "abung Pitot 

)abung pit%t ini mempunyai lubang pada sisi dinding untuk mengukur  tekanan statik ps dalam gerakan aliran dan sebuah lubang di depannya. Fntuk  mengukur tekanan stagnasi, ps dimana alirannya diturunkan hingga mempunyai ke"epatan n%l.

Gambar 5-2 Tabun# Pit+t

Selisih antara tekanan stagnasi dan tekanan statik (A.. adalah :

<% O ps ? hm (

τ

m

− τ

f  AAAAAAAAAAAA ( +.!  dengan :

hm ? defleksi man%meter

τ

f ? berat jenis fluida yang mengalir  4an ke"epatan aliran dihitung dengan persamaan :

 ? !g.hm (

τ

m

− τ

f /

τ

f  ? ! ( p% O ps  /

⌠ 

A.. ( +.#  <ersamaan +.# merupakan persamaan ke"epatan ideal. Sedangkan untuk  menentukan ke"epatan sesungguhnya (aktual, maka persamaan +.# harus dikalikan dengan suatu k%nstanta k%efisien ke"epatan =, yaitu :

 ? = !g. hm (

τ

m

− τ

f /

τ

f  ? = ! ( p% O ps  /

⌠ 

 AA. ( +.8  <ersamaan +.# dan +.8 berlaku untuk ;at "air dan aliran gas yang tak k%mpressible sedangkan untuk gas k%mpressible berlaku persamaan :

 ? = !K')/k O 1 (p%/ps(k O 1/k  O 1J AAAAAAAA... ( +.>  4engan :

k ? rati% kapasitas panasa jenis k ? 1,8

' ? k%nstanta gas ideal !6+ $/KgK  ) ? temperatur mutlak (K

Contoh .1.

Sebuah tabung pit%t dengan man%meter air raksa digunakan untuk mengukur  ke"epatan air di tengah sebuah pipa. $ika k%efisien tabung pit%t E,*6 dan defleksi air raksa dalam man%meter * "m, tentukan ke"epatan aliran air dalam pipa tersebut. $awab :  ? = !g. hm (

τ

m

− τ

f /

τ

f  4engan : = ? E,*6   g ? *,61 m/dt! hm ? * "m ? E,E* m

τ

m ?

τ

5g ? S2 5g 

⌠ 

air  ? 1#,>3  1EEE Kg/m#

τ

f ?

τ

air ? S2 air 

⌠ 

air ? 1  1EEE Kg/m#

karena :

τ

m

− τ

f /

τ

f ? ( 1#,>3  1EEE  O ( 1  1EEE  / ( 1  1EEE  ? ( 1#,>3

−

1 

4iper%leh :

 ? E,*6 ! (*,61 (E,E* ( 1#,>3

−

1  ? 8,3 m/dt

Contoh .2.

<erbedaan antara tekanan stagnasi dan tekanan statik yang diukur dengan sebuah tabung pit%t adalah 1*,+! Kpa. $ika tekanan statik mutlaknya 1 bar ( 1E> <a  dan suhu aliran udaranya 1>E . )entukanlah ke"epatan udara tersebut :

a. 4engan menganggap udaranya k%mpressible  b. 4engan menganggap udaranya tak k%mpressible $awab :

a. Fntuk udara k%mpressible

 ? = !K')/k O 1 (p%/ps(k O 1/k  O 1J dengan = ? 1 K') ? (1,8 (!6+ (!66 ? 11>+16,6 k O 1 ? 1,8

−

1 ? E,8 , k O 1/k ? E,!63 ps ? 1E> <a  p% O ps ? 1*,+!  1E# <a p% ? ( E,1*+! D 1  1E> ? 1,1*+!  1E> diper%leh  ? 1+8,+ m/dt  b. Fntuk udara tak k%mpressible

 ? = ! ( p% O ps  /

⌠ 

dengan = ? 1

p% O ps ? 1*,+!  1E#

⌠ 

? 1,!1 Kg/m#diper%leh  ? 16E,> m/dt

5-2- Pen#uuran De$it Aliran Cat =air Dalam Pi*a

9aju aliran ;at "air dalam pipa bisa diukur dengan berbagai "ara, baik  met%de pemba"aan langsung misalnya dengan menggunakan meteran-meteran aliran seperti :

a. Meteran )urbin  b. Meteran %rteks

". Meteran aliran ultras%nik 

2ambar ketiga jenis meteran tersebut sebagaimana diperlihatkan dalam gambar  +.# dihalaman berikut ini.

hite 1 halaman

Ultras+ni-Met%de pengukuran debit aliran ;at "air dalam pipa yang menggunakan  prinsip beda tekanan disepanjang dinding pipa adalah menggunakan piranti- piranti :

1. &lat penghalang

!. H%;el aliran (fl%w n%;;le

#. enturi

2ambar sketsa perbandingan kerugian head (head l%ss serta harga ketiga jenis meteran ini ditunjukkan dalam gambar +.8.

2br + "m 7% hal 8>!

Gambar 5-6 Karateristi +ri8i&e n+el aliran enturi

esarnya perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian sebelum dan setelah melewati penghalang/lubang penyempitan bergantung pada bentuk atau ukuran penghalang/lubang penyempitan.

<erubahan ke"epatan dan tekanan pada suatu meteran penghalang sebagaimana diperlihatkan dalam gambar +.>.

2br 3 "m

2ambar white #31

Gambar 5-, Peruba'an e&e*atan $an teanan melalui meteran

*en#'alan#-4ari penurunan rumus persamaan ern%ulli dan persamaan k%ntinuitas diper%leh : <1 O <! ?

⌠ 

1! / !  1 O ( &! / &1!J AAAAAAAA. (+.3 4engan demikian, ke"epatan ideal aliran :

! ideal? ! (<1 O <! /

⌠ 

  1 O (&! / &1!J AAAAA. (+.+ &! adalah luas penampang =ena k%ntraksi yaitun luas penampang aliran setelah melewati lubang penghalang (thr%at yang nilainya lebih ke"il dari luas lubang penghalang (thr%at &t.

Sehingga dengan mendefinisikan k%efisien k%ntraksi " sebagai : " ? & =ena k%nstraksi / & thr%at AAAAAAAA.. (+.6 4iper%leh ke"epatan ideal aliran :

! ideal  ? ! (<1 O <! /

⌠ 

  1 O "! (&t / &1!J AAAAA.. ( +.*  dan =%lume serta massa aliran ideal adalah :

 ideal ? " &t ! ideal AAAAAAAAAAAAA. ( +.1E  m ideal ?

⌠ 

  ideal ?

⌠ 

 " &t ! ideal AAAAAAAA.. ( +.11  &kibat adanya pengaruh gesekan dalam aliran, maka ke"epatan aktual lebih ke"il daripada ke"epatan ideal. <erbandingan antara ke"epatan aktual dengan ke"epatan ideal disebut k%efisien ke"epatan =, jadi :

= ? ! aktual / ! ideal AAAAAAAAAAAA ( +.1!  4engan demikian persamaan ke"epatan, =%lume dan massa aliran aktual dapat dituliskan sebagai :

- ! aktual ? =  ! ideal

? = ! (<1 O <! /

⌠ 

 1 O "! (&t / &1!J AAAA.. ( +.1#  -  aktual ? " &t  ! aktual

? " &t  = ! aktual

? " = &t ! (<1 O <! /

⌠ 

J / 1 O "! (&t / &1!J Karena K ? " = / 1 O "! (&t / &1!J

Maka  aktual ? K &t ! (<1 O <! /

⌠ 

 AAAAAAA.. ( +.18a  &tau  aktual ? K &t !g

∆

h AAAAAAAAAAA ( +.18b 

∆

h ? head pie;%metrik 

Fntuk n%;el dam =enturi meter, penampang aliran minimum terjadi pada daerah thr%at sehingga tidak terjadi =ena k%ntrakta. $adi " ? 1 dan karena itu untuk n%;el dan =enturi meter,

K ? = / 1 O (&t / &1!J ? = / 1 O

β

8

dimana

β

? 4t / 41

7akt%r 1 / 1 O

β

8 disebut difakt%r ke"epatan pendekatan. - m aktual ?

⌠ 

 aktual

?

⌠ 

" &t = ! ideal

? " = &t

⌠ 

! (<1 O <! /

⌠ 

1 O "! (&t / &1!J ? " = &t !

⌠ 

(<1 O <! / 1 O "! (&t / &1!J

? K &t !

⌠ 

 (<1 O <! AAAAAAAAAAAAA. ( +.1>   Hilai-nilai k%efisien aliran K untuk %rifi"e, n%;el dan =enturi meter  sebagaimana ditunjukkan dalam gambar +.3 sampai dengan +.*.

gbr 3 "m

gambar f% hal 8>#

ambar f% hal 8>>

Gambar 5-5 Har#a +e8isien K untu 7+el

gambar white hal #3>

Gambar 5-3 Har#a +e8isien K untu Venturi

Gambar 5- Har#a +e8isien aliran K untu ri8i&e 7+el $an Venturi Contoh .3.

&ir pada suhu !EE dalam pipa berdiameter 1E "m mengalir melalui %rifi"e yang  bergaris tengah > "m. $ika penurunan tekanan yang diukur adalah 3> Kpa  berapakah laju aliran dalam meter kubik per jam G

$awab :

4ari s%al diketahui :

⌠ 

? **6 Kg/m# ( dari tabel  = ? 1,EE>  1E-3 m!/dt 41 ? 1E "m ? E,1E m 4t ? > "m ? E,E> m

∆

 p ? 3> Kpa 4t/41 ? >/1E ? E,>  ? K &t ! (<1 O <! /

⌠ 

2unakan gambar +.6 untuk menentukan k%efisien K dengan menghitung terlebih dahulu :

( 4t !g

∆

h  / = ? ( 4t !

∆

 p  / =

? ( E,E> !  3> . 1E# /**6  / 1,EE> . 1E-3

? E,>3 . 1E3 ? >,3 . 1E>

Fntuk %rifi"e dengan 4t/41 ( d/4  ? E,> diper%leh K ? E,3! Sehingga :

 ? ( E,3!  (

π

/8  ( E,E>! ( !  3> . 1E#  / *66 ? E,E1#6 m#/dt

? E,E1#6  #3EE m#/jam ? 8*,36 m#/jam

Contoh .4.

&ir mengalir melalui sebuah =enturimeter dengan laju aliran E,E8 m#/dt. $ika diameter pipa dan thr%at =enturimeter adalah #EE mm dan 1>E mm. )entukanlah