PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN (1)

(1)

LAPORAN PRAKTIKUM

MEKANIKA FLUIDA I – TL 2101

MODUL 02

ALAT UKUR DEBIT SALURAN TERTUTUP

Nama Praktikan : Chrisnathan Triparma Gurning

NIM : 15316076

Kelompok/Shift : 3/08.00-09.30

Tanggal Praktikum : 28 September 2017

Tanggal Pengumpulan: 5 Oktober 2017

PJ Modul :Nurul Rohim (15314042)

Widyastuti (15315008)

Asisten yang Bertugas : Siti Fatimah/15314029 & Nurashila Dhiyani/15315006

PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN

FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN

(2)

I. Tujuan

1. Menentukan debit teoritis dari alat ukur Venturimeter 2. Menentukan debit teoritis dari alat ukur Orificemeter

3. Menentukan koefisien discharge (Cd) dari alat ukur Venturimeter

4. Menentukan koefisien discharge (Cd) dari alat ukur Orificemeter

II. Prinsip Dasar

Prinsip dasar praktikum modul alat ukur debit saluran tertutup ini adalah mengalirkan air melalui pipa dengan hydraulic bench. Aliran air dibuat menjadi 4 variasi debit yang berbeda dengan cara mengatur valve di hydraulic bench. Masing-masing variasi dilakukan sebanyak 3 kali dan diambil rata-rata dari ketiga perlakuan tersenut. Aliran air yang mengalir menyebabkan perubahan bacaan pada venturimeter dan orificemeter. Lalu, dilakukan perhitungan beda tinggi tekan yang tampak. Selanjutnya menghitung debit aktual yang terjadi dengan menghitung waktu tuas hydraulic bench untuk dapat kembali ke posisi semula setelah pemberian 2,5 kg beban. Debit teoritis adalah debit yang didapatkan dari hasil perhitungan. Penentuan debit teoritis dari venturimeter dan orificemeter dilakukan dengan melihat perbedaan tinggi muka air pada dua tabung piezometer. Debit aktual merupakan debit yang benar-benar terjadi pada alat.

III. Teori Dasar

a) Venturimeter

Venturimeter merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan. Sedangkan alat untuk menunjukan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah manometer pipa U. Alat ini dapat dipakai untuk mengukur laju aliran fluida, misalnya menghitung laju aliran air atau minyak yang mengalir melalui pipa. Venturimeter digunakan sebagai pengukur volume fluida misalkan minyak yang mengalir tiap detik.

(3)

Gambar 1. Penampang Venturimeter

(Sumber: http://ecoursesonline.iasri.res.in/pluginfile.php/2226/mod_page/content/5/92.png)

Untuk Venturimeter ini dapat dibagi 3 bagian utama yaitu : a. Bagian Inlet

Bagian yang berbentuk lurus dengan diameter yang sama seperti diameter pipa atau cerobong aliran. Lubang tekanan awal ditempatkan pada bagian ini.

b. Inlet Cone

Bagian yang berbentuk seperti kerucut, yang berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida.

c. Throat (leher)

Bagian tempat pengambilan beda tekanan akhir bagian ini berbentuk bulat datar. Hal ini dimaksudkan agar tidak mengurangi atau menambah kecepatan dari aliran yang keluar dari inlet cone.

Pada Venturi meter ini fluida masuk melalui bagian inlet dan diteruskan ke bagian outlet cone. Pada bagian inlet ini ditempatkan titik pengambilan tekanan awal. Pada bagian inlet cone fluida akan mengalami penurunan tekanan yang disebabkan oleh bagian inlet cone yang berbentuk kerucut atau semakin mengecil kebagian throat. Kemudian fluida masuk kebagian throat inilah tempat-tempat pengambilan tekanan akhir dimana throat ini berbentuk bulat datar. Lalu fluida akan melewati bagian akhir dari venturi meter yaitu outlet cone. Outlet cone ini berbentuk kerucut dimana bagian kecil berada pada throat, dan pada Outlet cone ini tekanan kembali normal.

(4)

Orifice adalah plat berlubang yang disisipkan pada aliran fluida yang diukur. Orifice yang dihubungkan dengan piezometer dapat menunjukkan adanya beda ketinggian antara dua titik serta perbedaan tekanannya. Orifice yang digunakan untuk pengukuran debit disebut sebagai orificemeter. Perangkat alat ukur orificemeter terdiri dari Plat Orifice. Plat orifice merupakan bagian dari alat orifice meter yang berfungsi mengalirkan fluida yang aan diukur harga mass flownya. Plat orifice hanya dapat dipakai untuk menentukan aliran fluida dalam pipa berdiameter tidak kurang dari satu inchi. Plat orifice ada 3 jenis sesuai dengan fungsinya, yaitu:

1. Square edge, untuk menakar aliran uap atau air.

2. Conical Entrance, untuk mengukur fluida kental (minyak). 3. Quarter Circle, untuk mengukur fluida kental.

1. Gambar 2. Skema Orificemeter (Sumber: www.google.com)

Orifice meter dapat digunakan dalam berbagai pengukuran, baik yang berkaitan dengan proses maupun bukan proses. Orifice meter merupakan salah satu alat yang banyak digunakan dalam industri minyak dan gas (migas). Orifice dikelompokkan kedalam kelas flowmeter yang biasa disebut dengan differential pressure meter atau biasa juga disebut dengan “head meter”. Orifice di dalam pipa ditunjukkan dengan manometer untuk mengukur penurunan tekanan differensial dari fluida yang dihasilkan oleh orifice.

IV. Data Awal

Pada saat praktikum, didapatkan data awal berupa :

(5)

Temperatur awal : 25 0_C

Temperatur Akhir : 25 0_C

Temperatur rata – rata : 25 0_C

Berdasarkan data dari buku Finemore didapatkan nilai massa jenis air pada berbagai suhu yaitu terlampir pada tabel berikut.

Tabel 1. Massa Jenis Air Pada Berbagai Suhu

T (°C) ρ (kg/m3₎

0 999,8

5 1000

10 999,7

15 999,1

20 998,2

25 997

30 995,7

40 992,2

50 988

60 983,2

70 977,8

80 971,8

90 965,3

100 958,4

(6)

Object 5

Grafik 1. Perubahan Suhu terhadap Massa Jenis Air

Pada percobaan, kita mengukur ketinggian yang terindikasi pada Venturimeter dan Orificemeter sebanyak 3 kali dalam 5 variasi berbeda

Tabel 2. Data Pengukuran Ketinggian Muka Air dan Waktu pada Venturimeter

Variasi hA (mm) hB (mm) ΔhAB (mm) t (s)

1

249 233 16 72

248 232 16 63

247 232 15 61

2

254 219 35 46

254 219 35 43

253 219 34 49

3

264 224 40 33

264 224 40 35

263 224 39 40

4

284 217 67 29

284 217 67 26

(7)

5

309 208 101 23

310 208 102 25

285 164 121 20

Tabel 3. Data Pengukuran Ketinggian Muka Air dan Waktu pada Orificemeter

Variasi hE (mm) hF (mm) ΔhEF_(mm) t (s)

1

247 226 21 72

245 226 19 63

245 227 18 61

2

251 221 30 46

250 222 28 43

252 222 30 49

3

261 214 47 33

260 214 46 35

261 214 47 40

4

280 201 79 29

279 201 78 26

280 200 80 27

5

307 182 125 23

306 182 124 25

280 137 143 20

V. PENGOLAHAN DATA

A. Perhitungan Massa Jenis dan Volume Air

Untuk mendapatkan massa jenis air pada percobaan ini, bisa didapat dari persamaan massa jenis di grafik yaitu y = -0,0036x2_{- 0,0675x + 1000,6 dengan y sebagai massa jenis air dan x sebagai}

suhu rata-rata. Diketahui bahwa suhu rata-rata dalam percobaan ini adalah 25 ℃. Maka dari situ masa jenis dari air pada suhutersebut adalah 997 kg/m3

Vair = Mair

(8)

= ₉₉₇7,5

= 7,5225 x 10-3_m3

B. Perhitungan vb pada Venturimeter dan vf pada Orificemeter

B.1. Venturimeter

Setelah didapatkan luas penampang masing-masing pipa di venturimeter, maka kecepatan di b bisa didapatkan dari persamaan:

vb =

Untuk pengolahan data ini digunakan variasi pertama dari percobaan venturimeter

vb =

Diketahui diameter pada orificemeter adalah de = 51 mm dan df = 20 mm, setelah itu

dicari luas kedua bagian tersebut: Ae = 1

Setelah didapatkan luas penampang di orificemeter, maka kecepatan di f bisa dida-patkan dari persamaan:

(9)

vf =

Untuk keselruhan dari kecepatan dari segala percobaan, dapat ditunjukan oleh tabel berikut

Tabel 4. Data Kecepatan aliran arus air Venturimeter dan Orificemeter

Variasi Vb venturi Vf orifice 1 0,599034586 0,623304417

2 0,891086037 0,767763645

3 0,953183354 0,968389842

4 1,244947357 1,25997051

5 1,572807146 1,582785301

C. Perhitungan Qteoritis pada Venturimeter dan Orificemeter

C.1. Venturimeter

Untuk mendapatkan Qteoritis bisa menggunakan persamaan kontinuitas yaitu:

Qteoritis = Ab x vb

Pada perhitungan ini hanya digunakan data dari variasi pertama: Qteoritis = 0,000201 x 0,5990

= 0,000120382 m3_/s

C.2. Orificemeter

Untuk mendapatkan Qteoritis bisa menggunakan persamaan kontinuitas yaitu:

Qteoritis = Af x vf

Pada perhitungan ini hanya digunakan data dari variasi pertama: Qteoritis = 0,000314 x 0,6233

= 0,000195718 m3_/s

Q teoritis yang didapat dari percobaan variasi lainnya dapat dilihat dalam tabel berikut

Tabel 5. Data Q teoritis arus air Venturimeter dan Orificemeter

Variasi Qt venturi Qt orifice 1 0,000120382 0,000195718

2 0,000179073 0,000241078

3 0,000191552 0,000304074

4 0,000250185 0,000395631

(10)

D. Perhitungan Qaktual pada Venturimeter dan Orificemeter

Untuk menghitung Qaktual pada masing-masing variasi, dapat digunakan persamaan:

Qaktual =

Vair trata−rata

Perhitungan hanya digunakan variasi pertama dari masing-masing venturimeter dan orificemeter:

Qaktual =

0,007522 65,333

= 0,000115141 m3_/s

E. Perhitungan koefisien discharge pada Venturimeter dan Orificemeter

Untuk mendapatkan koefisien discharge pada masing-masing variasi dapat digunakan persamaan:

Cd = _QteoritisQaktual

Perhitungan hanya digunakan variasi pertama dari masing-masing venturimeter dan orificemeter:

Tabel 6. Hasil Perhitungan Debit dan Kecepatan pada Venturimeter

Variasi Qaktual (m3/s) Δh AB rata-rata (m)

Vb (m/s) Qt venturimeter (m3/s)

1 0,000115141 0,015666667 0,599034586 0,000120382

2 0,000163534 0,034666667 0,891086037 0,000179073

3 0,00020896 0,039666667 0,953183354 0,000191552

4 0,000275216 0,067666667 1,244947357 0,000250185

5 0,000331878 0,108 1,572807146 0,000316071

Tabel 7. Hasil Perhitungan Debit dan Kecepatan pada Orificemeter

Variasi Qaktual (m3/s) Δh EF rata-rata (m)

Vb (m/s) Qt orificemeter (m3/s)

1 0,00011514 0,019333333 0,623304417 0,000195718

2 0,00016353 0,029333333 0,767763645 0,000241078

3 0,00020896 0,046666667 0,968389842 0,000304074

4 0,00027522 0,079 1,25997051 0,000395631

(11)

VII. Analisis A – Cara Kerja

Cara kerja pada percobaan kali ini menggunakan metode triplo, yaitu pada tiap-tiap dari 5 variasi dilakukan 3 kali percobaan. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi jika data pertama dan data kedua sangat berbeda. Data ketiga dapat menunjukkan nilai yang sebenarnya dengan melihat nilainya lebih condong ke data yang mana. Setelah keran dibuka untuk mengalirkan air, tunggu sampai tuas hydraulic bench mengangkat dan mulai waktu stopwatch. Pada saat itu juga beban seberat 2,5 kg diletakan dan saat tuas mulai mengangkat kembali stopwatch diberhentikan. Langkah-langkah kerja hydraulic bench tersebut digunakan untuk menentukan nilai debit aktual. Praktikan yang memegang stopwatch harus sigap karena kesalahan waktu dapat mempengaruhi data dan hasil perhitungan. Pada venturimeter dan orificemeter, tinggi air di tabung A, B, E, dan F dibaca. Masing-masing dari A, B, E, dan F mewakili luas penampang yang berbeda [ada venturimeter dan orificemeter. Dalam menggunakan venturimeter dan orificemeter, isi dari tabung piezometer harus dijaga agar tidak melebihi batas angka. Selain karena menyulitkan perhitungan karena tidak ada keteragan nilainya, isi air yang berlebihan juga dapat mengganggu jalannya aliran fluida.

Berdasarkan hasil percobaan dan perhitungan, nilai Qaktual dan Qteoritis pada venturimeter

berbeda. Rata-rata nilai Qaktual lebih kecil daripada Qteoritis, kecuali pada variasi 3. Perbedaan

antara keduanya sangat kecil, yaitu 1x10-5_m3_{/s - 2x10}-5_m3_{/s. Pada orificemeter, nilai Qaktual}

juga kebih kecil daripada Qteoritis. Namun, pada orificemeter perbedaan antara Qaktual dan Qteoritis lebiih besar, yaitu 2x10-5_m3_{/s. Hal ini berarti nilai error debit aktual dan teoritis pada}

(12)

Object 45

Grafik 7.1 Hubungan antara Qaktual terhadap Δh

(Sumber: Pengolahan Data Excel)

Dari grafik dan hasil regresi dengan persamaan power, didapatkan persamaan, yaitu: y = 0.0012 x0.5679

Sedangkan berdasarkan rumus Qaktual adalah

Qaktual = Cd.Qteoritis

= Cd.AB.vB

=Cd.AB

.

[

2g

1−

(

AB

A_A

)

2

]

0.5

. ΔhAB rata−rata0.5

Jika dibandingkan, maka

Qaktual rumus = Qaktual regresi

Cd.AB

.

[

2g

1−

(

AB A_A

)

2

]

0.5

. Δh0.5 = 0.0012 Δh 0.5697

Δh0.5 ₌ _Δh 0.5697

0,5 ≈ 0,5697

Nilai pangkat dari hasil regresi mendekati dengan nilai teoritis sehingga data dalam percobaan cukup valid. Ditinjau dari nilai R2_{, nilai yang didapatkan adalah 0.9749. R}2_{adalah faktor}

(13)

hasil regresi linear. Nilai R2 _{yang didapat pada percobaan mendekati 1 sehingga data} _Δh _dan

debit aktual sudah akurat. Keduanya berhubungan secara eksponensial, yaitu 0.5.

0 0 0 0 0 0

Grafik 7.2 Hubungan Qteoritis terhadap Qaktual Venturimeter

Dari grafik dan hasil regresi dengan persamaan linear, didapatkan persamaan, yaitu: y = 1,0455x

Qteoritis = 1.0455 Qaktual

Maka, nilai Cd yang didapatkan adalah Cd = 1/m

= 1/1.0455 = 0,9564

Nilai Cd yang semakin mendekati 1 berarti nilai debit aktual semakin mendekati nilai debit teoritis. Nilai Cd yang didapatkan adalah 0.956480153 sehingga data pada percobaan ini cukup valid dan berarti venturimeter tepat digunakan untuk mengukur debit. Nilai R2_{yang didapatkan}

(14)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

Grafik 7.3 Hubungan Qaktual terhadap Δh Orificemeter

Dari grafik dan hasil regresi dengan persamaan power, didapatkan persamaan, yaitu: y = 0.0011 x0.5571

Qaktual rumus = Qaktual regresi

Cd.AB

Nilai pangkat dari hasil regresi mendekati dengan nilai teoritis sehingga data dalam percobaan cukup valid. Ditinjau dari nilai R2_{, nilai yang didapatkan adalah 0.9841. R}2_{adalah faktor}

(15)

hasil regresi linear. Nilai R2 _{yang didapat pada percobaan mendekati 1 sehingga data} _Δh _dan

debit aktual sudah akurat. Keduanya berhubungan secara eksponensial, yaitu 0.5.

0 0 0 0 0 0 0 0 0

Grafik 7.4 Hubungan Qaktual terhadap Qteoritis Orificemeter

Dari grafik dan hasil regresi dengan persamaan linear, didapatkan persamaan, yaitu: y = 0,6741x

Qteoritis = 0,6741 Qaktual

Maka, nilai Cd yang didapatkan adalah Cd = 1/m

= 1/0,6741 = 1,483

Nilai Cd yang semakin mendekati 1 berarti nilai debit aktual semakin mendekati nilai debit teoritis. Nilai Cd yang didapatkan adalah 1,483 sehingga data pada percobaan ini kurang valid dibandingkan dengan data dari venturimeter. Nilai R2_{yang didapatkan sebesar 0.9872. Nilai ini}

(16)

orificemeter menunjukkan bahwa orificemeter kurang akurat dibandingkan dengan venturimeter.

Venturimeter dan orificemeter memiliki perbedaan pada struktur penampangnya. Pada venturimeter, luas penampang berubah secara perlahan-lahan sedangkan pada orificemeter luas penampangnya berubah secara tiba-tiba. Berdasarkan nilai perhitungan koefisien discharge, nilai Cd dari venturimeter lebih mendekati 1 dibandingkan dengan orificemeter yang hanya sekitar 0.5. Hal ini berarti, venturimeter lebih cocok untuk digunakan dalam pengukuran debit. Nilai debit aktual dari venturimeter hampir sama dengan nilai debit teoritis. Galat yang didapatkannya sangat kecil.

Nilai Cd atau koefisien discharge venturimeter dan orificemeter pada percobaan juga perlu dibandingkan dengan literatur. Menurut Finnemore (2012), nilai Cd didapatkan dari bilangan Reynolds. Pada veturimeter dengan tabung yang besar, nilai Cd bisa mencapai 0.99 sedangkan untuk tabung kecil nilai Cd adalah 0.97-0.98. Dari percobaan, tabung yang digunakan kecil dan didapatkan Cd sebesar 0,9595. Hal ini berarti nilai Cd venturimeter pada percobaan masih belum sesuai dengan Cd dari literatur. Nilai Cd dari orificemeter pada literatur adalah sekitar 0.6 sedangkan nilai Cd yang didapat pada percobaan adalah 0.5883. Kedua nilai tersebut cukup dekat meskipun tidak sama persis. Berdasarkan perbandingan Cd baik di venturimeter maupun orificemeter, nilai Cd di percobaan lebih kecil daripada Cd literatur. Hal ini dapat terjadi karena adanya kesalahan-kesalahan saat praktikum dan mempengaruhi nilai Cd yang didapat.

Dalam melaksanakan percobaan terdapat beberapa kesalahan yang mungkin dilakukan sehingga mempengaruhi hasil percobaan, yaitu:

1. Kesalahan dalam penggunaan hydraulic bench

Pada hydraulic bench setelah dilakukan satu percobaan, maka air harus dikuras dari lengan air terlebih dahulu. Apabila air belum terkuras dengan benar, posisi lengan air bisa langsung terangkat dan mengganggu pengambilan waktu debit.

2. Kesalahan dalam memulai dan mengakhiri stopwatch

Stopwatch mulai dinyalakan tepat saat tuas mengangkat dan berhenti tepat saat tuas mengangkat lagi setelah diberi beban. Perisitiwa ini dapat terjadi dengan sangat cepat sehingga mungkin terjadi keterlambatan saat menyalakan atau mematikan stopwatch. Hasilnya waktu yang didapatkan lebih lambat dibandingkan dengan waktu sebenarnya. Pada debit aktual, waktu berbanding terbalik dengan debit aktual sehingga waktu yang semakin lamam akan membuat debi aktual yang lebih kecil.

(17)

Kesalahan pembacaan skala alat seperti pada termometer dan piezometer dapat terjadi dan mempengaruhi perhitungan. Pembacaan termometer yang salah akan berdampak pada massa jenis air dan volume air yang digunakan. Sedangakan kesalah pembacaan piezometer dapat mempengaruhi nilai perbedaan ketinggian. Kesalahan ini dapat terjadi akibat kesalahan paralaks, yaitu praktikan tidak melihat skala alat secara lurus serta nilai skala sudah berubah tanpa sempat membaca nilai yang asli.

4. Kesalahan pembulatan

Kesalahan pembulatan rentan terjadi, apalagi dengan nilai banyak angka di belakang koma seperti pada debit di percobaan ini. Perbedaan pembulatan dari awal dapat memberikan data akhir yang berbeda juga.

5. Peletakan beban yang tidak konsisten.

Hal tersebut juga mengakibatkan kurang akuratnya nilai dari debit aktual. Pencatatan waktu yang salah pun akan berdampak pada perbedaan volume dan debit aliran air yang dihitung ketika menggunakan hydraulic bench.

VIII. Analasis B – Penerapan di Bidang Teknikk Lingkungan

Konsep alat ukur debit pada saluran tertutup merupakan konsep yang penting di ilmu teknik lingkungan, terutama dalam instalasi air. Venturimeter dapat digunakan untuk menghitung debit fluida yang mengalir dalam pipa. Selain itu, kecepatan dan perbedaan tekanan dari dua titik di sepanjang pipa juga dapat ditentukan. Dari data, penghitungan debit dengan venturimeter juga memiliki koefisien discharge mendekati satu. Oleh karena itu, venturimeter merupakan alat yang tepat untuk menentukan debit. Hal ini dapat menjadi pertimbangan dalam pembuatan saluran yang efektif dan efisien. Perusahaan air minum menggunakan venturimeter untuk menentukan debit air yang mengalir dalam pipa distribusi. Selain perusahaan air minum, perusahaan minyak juga menggunakan venturimeter untuk menghitung laju aliran minyak dalam pipa.

(18)

mulutorifice ketika banjir reda. Mengukur aliran sungai dimana lokasi aliran sungai melewati gorong-gorong atau saluran kecil.

Gambar 8.1 Venturimeter pada Perusahaan Air Bersih

(sumber : https://artikel-teknologi.com/alat-ukur-aliran-menggunakan-venturi-meter/)

Gambar 8.2 Orificemeter pada Sungai sebagai Pengukur Banjir (sumber : https://flowmasonic.com/2010/09/18/orifice-flow-meter/)

IX. Kesimpulan

(19)

Venturimeter Orificemeter Q1 = 0.000120382 m3/s Q1 = 0.00019572 m3/s

Q2 = 0.000179073 m3/s Q2 = 0.00024108 m3/s

Q3 = 0.000191552 m3/s Q3 = 0.00030407 m3/s

Q4 = 0.000250185 m3/s Q4 = 0.00039563 m3/s

Q5 = 0.000316071 m3/s Q5 = 0.00049699 m3/s

2. Nilai Cd yang didapatkan dari hasil regresi pada venturimeter dan orificemeter adalah Cd venturimeter = 0.9595

Cd orificemeter = 0.5883

3. Berdasarkan data tersebut, maka alat ukur debit yang lebih baik digunakan adalah venturimeter karena perbandingan antara debit aktual dan debit teoritis lebih dekat dibandingkan dengan orificemeter.

X. DAFTAR PUSTAKA

Munson, Bruce .2004. Mekanika Fluida Jilid 1 Edisi 4.Jakarta : Erlangga Mahameru White, Frank .2010. Fluid Mechanics.Jakarta : McGraw-Hill

Finnemore, E. John, Joseph B. Franzini. Fluid Mechanics with Engineering Application, 10th ed. NewYork: McGraw-Hill

(20)

(21)