PENGEMBANGAN DAN APLIKASI VISKOMETER
(JENIS BOLA JATUH
)
Ridwan *, Ridha Iskandar **, Nizar.*
* Lab. Mekanika Fluida, Teknik Mesin, FTI Universitas Gunadarma Email: ridwan@staff.gunadarma.ac.id
** Lab. Elektronika dan Komputer, FIKTI Universitas Gunadarma Jalan Margonda Raya No. 100 Depok Jawa Barat 16424
Telp. 021-78881112 ext.102
Abstract
Viscometer, a tool for measuring viscosity is needed in terms of both quantity and quality. One type of viscometer commonly used is the falling ball type, because of relatively simple and can be used to measure the viscosity of various types of liquids if we compare it to the capillary. Viscometer of falling ball that exists, especially in Indonesia is still manual so lack of accuracy or precision measurement. This research designs, builds and tries digital viscometer of the falling ball type, the viscometer is designed for automatic system (real time). This viscometer uses steel balls (test balls) of 16 mm in diameter, the ball was dropped on the test fluid in the acrylic tube transparent,the inner diameter of tube is 50 mm. Three variations of the test fluid i.e. water oil, and mud. Additional components of these viscometer uses microkontroller ATmega328 (arduino), and two light (photo diode) sensors with a distance of 500 mm between sensor 1 and sensor 2, both of the sensors connected to a timer (counter) to record the time taken by ball test from position 1 to position 2. Velocity and density of the ball, density of the test fluid, are the main variables that determines viscosity of the test fluid. The data obtained is processed and analyzed, then compared with standard data. Viscometer equipped with a switch, keypad, and program modules. Viscosity measurement results displayed on mini display 16x2 LCD monitor. The results showed that, all three variations from test fluids viscosity, consistent and very close to the standard (reference) viscosity, with an 2.5% average deviation.
Keywords: Ball, liquid, tube, viscometer
Abstrak
Alat ukur kekentalan keberadaannya sangat dibutuhkan baik dari segi kuantitas maupun kualitasnya. Salah satu jenis viskometer yang umum digunakan saat ini adalah viscometer jenis bola jatuh, karena bentuknya yang relatif sederhana dan dapat digunakan untuk mengukur viskositas berbagai jenis cairan yang lebih beragam dibanding viskometer pipa kapiler. Viskometer bola jatuh yang ada saat ini khususnya di Indonesia masih manual sehingga keakuratan pengukuran yang dihasilkan kurang maksimal. Pada penelitian ini dirancang, dibuat dan diujicoba suatu viskometer digital yaitu jenis bola jatuh, viskometer ini dirancang agar dapat bekerja secara otomatis (real time). Viskometer ini menggunakan bola baja (sebagai bola uji) berdiameter 16 mm, bola dijatuhkan pada fluida uji yang berada didalam tabung acrilik transparan yang dipasang vertical diameter 50 mm. Digunakan tiga variasi fluida uji yakni : air, pelumas, dan lumpur. Peralatan lain pada Viskometer ini digunakan microkontroller Atmega328 (arduino) dan dua buah sensor cahaya yang dipasang dengan jarak 500 mm antara sensor 1 dan sensor 2, kedua sensor tersebut masing-masing dihubungkan dengan timer (counter) untuk merekam waktu yang dibutuhkan oleh bola uji dari posisi 1 ke posisi 2. Waktu tempuh bola, massa jenis bola, dan massa jenis fluida uji, adalah variable utama yang menentukan kekentalan fluida uji. Data yang didapatkan diolah dan dianalisa, selanjutnya dibandingkan dengan data standard. Viskometer dilengkapi Sebuah saklar, keypad, dan modul program. Hasil pengukuran viskositas berhasil ditampilkan pada mini display monitor LCD 16x2. Hasil penelitian menunjukkan bahwa viskositas ketiga jenis fluida uji, bersesuaian dan sangat mendekati acuan viskositas dengan simpangan rata-rata 2,5%
1. PENDAHULUAN
Viskositas merupakan ukuran ketahanan suatu fluida terhadap tegangan geser. Ketahanan terhadap tegangan geser ini dipengaruhi oleh kohesi dan laju perpindahan momentum fluida tersebut. Viskositas gas meningkat dengan suhu, tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu [1].
Kekentalan (viskositas) suatu fluida/zat
cair sangat penting diketahui karena merupakan sifat dasar dan mempengaruhi karakteristik dan performa fluida tersebut saat digunakan. Alat ukur kekentalan (viskometer) sangat dibutuhkan misalnya untuk keperluan industri, dan dunia pendidikan/laboratorium. Kebutuhan viskometer di dalam Negeri baik kuantitas maupun kualitasnya sangat luas, misalnya pada industri pertambangan, industri kimia, makanan, keperluan laboratorium, dan lembaga penelitian/riset.
Viskometer yang ada saat ini khususnya di Indonesia umumnya masih dioperasikan secara manual sehingga kurang akurat, juga keterbatasan variasi fluida/ cairan yang dapat diukur dengan baik dan akurat, serta harganya yang relatif tinggi.
Rancang bangun Viskometer digital metode bola jatuh ini dimaksudkan untuk dapat menghasilkan suatu alat ukur viskositas yang lebih akurat, produk dalam negeri yang dapat digunakan untuk mengukur jumlah variasi cairan/fluida yang lebih banyak/beragam, dibanding viskometer yang ada saat ini utamanya viskometer pipa kapiler yang banyak memiliki keterbatasan.
Makin besar viskositas suatu fluida, makin sulit suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda padat bergerak di dalam fluida tersebut [2]. Dengan demikian viskositas suatu fluida baik cair maupun gas adalah ukuran ketahanan fluida tersebut terhadap tegangan geser pada dinding dimana fluida tersebut mengalir. Hukum viskositas pada fluida Newtonian menyatakan bahwa laju aliran dikalikan dengan viskositas berbanding lurus terhadap tegangan geser. Untuk fluida non Newtonian dan fluida yang mengandung zat padat seperti lumpur viskometer jenis pipa kapiler tidak bisa digunakan. Permasalahan umum pada penggunaan viskometer adalah akibat kesalahan pengambilan data dan alat ukur, utamanya bila pengambilan data dilakukan secara manual [3]. Untuk fluida non Newtonian dan fluida yang mengandung zat padat seperti lumpur viskometer jenis pipa kapiler tidak bisa digunakan[4].
Viskositas fluida dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya temperatur, konsentrasi larutan, dll. Viskositas dinyatakan
dalam dua bentuk, yakni viskositas dinamik dan viskositas kinematik :[8]. Viskositas dinamik adalah perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besar nilai viskositas dinamik tergantung tegangan geser dan laju geserannya. Viskositas dinamik sering juga disebut viskositas mutlak. Dalam satuan standar Internasional satuan Viskositas dinamik adalah Pascal.detik. Viskositas kinematik adalah perbandingan viskositas dinamik terhadap density (kerapatan) atau massa jenis dari fluida tersebut. [8,9]
Viskositas ini terdapat dalam beberapa penerapan antara lain dalam penentuan bilangan Reynolds yang merupakan bilangan tak berdimensi. Dalama satuan Internasional viskositas kinematik adalah (m2/det). Kekentalan fluida dengan
viscometer bola jatuh merupakan hubungan matematik antara diameter bola, diameter tabung, massa jenis bola, dan massa jenis fluida [10].
Viskositas suatu fluida adalah sifat yang menunjukkan besar dan kecilnya tahanan dalam fluida terhadap gesekan. Fluida yang mempunyai viscositas rendah, misalnya air mempunyai tahanan dalam terhadap gesekan yang lebih kecil dibandingkan dengan fluida yang mempunyai viskositas yang lebih besar. [11] Viskositas suatu cairan dipengaruhi oleh gaya tarik menarik antar molekul di dalam cairan tersebut. Semaik kuat gaya tarik menarik antara molekul tersebut, maka semakin sulit suatu molekul bergerak satu sama lainnya seningga viskositasnya bertambah. Ukuran molekul yang besar memiliki gaya tarik antar molekul yang kuat, sehingga molekul ini akan memiliki nilai viskositas yang semakin tinggi [1, 12].
Salah satu cara atau metode untuk mengukur viskositas adalah dengan metode bola jatuh. Metode ini menggunakan sebuah bola pejal yang dijatuhkan pada sebuah tabung yang berisi fluida yang akan diukur kekentalannya, waktu tempuh bola dicatat dari satu titik ke titik yang lain. Metode ini merupakan penerapan Hukum Stokes, Hukum Archimedes serta prinsip gaya Gravitasi benda pada pada fluida yang memiliki kekentalan (viskos) [12].
2. METODOLOGI
Penelitian dilaksanakan di Labotarium Fenomena Dasar Mesin, Kelapa Dua Cimanggis Depok, Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma. Proses perancangan, simulasi, pembuatan dan perakitan alat berupa hardware dan software meliputi: perakitan alat berupa tabung dari bahan/material acrylic, pembuatan rangka, bola uji, pemasangan sensor, timer, heater, keypad, display, serta membangun algoritma /membuat modul pemrograman.
Pada penelitian ini digunakan tiga variasi fluida uji yakni air biasa, pelumas Mesran SAE-30, dan lumpur.
Pada gambar 1. Dapat dilihat viskometer yang telah dirancang dan dibuat, serta diujicoba.
Gambar 1. Viskometer Rancangan Bola uji berupa bola pejal (diameter 16 mm) yang dijatuhkan pada cairan (fluida) uji. Pada saat bola uji dijatuhkan pada fluida uji maka pada bola tersebut, terdapat tiga gaya yang bekerja secara bersamaan yakni: gaya viskos (Fs), gaya apung (Fa) dan gaya berat (Fw):[1,5]
Gambar 2. Tiga gaya pada bola dalam cairan
Saat bola mencapai kecepatan akhir konstan, maka terjadi keseimbangan gaya, secara matematis dapat ditulis:
Fa + Fs = Fw ...(1) Keseimbangan ketiga gaya tersebut dan jika masing masing gaya diuraikan dan dilakukan subtitusi, sehingga didapat persamaan/koefisien viskositas sebagaimana dapat dilihat pada persamaan (2) berikut:[6,7]
Β΅ = π.π.π
π (πππππβππππππ π) ππ½ β¦ (2) Dengan : ο adalah viskositas dinamik fluida (Pa. s), ο²B adalah massa jenis bola (kg/m3), ο²F
adalah massa jenis fluida/cairan yang diuji
(kg/m3), g adalah konstanta percepatan gravitasi
(9,81 m/s2), r adalah jari-jari bola uji, serta V
merupakan kecepatan terminal bola uji (m/s). Gambar. 4 adalah Mikrokontroller Arduino Uno (R3) yang digunakan.
Gambar. 4. Arduino Uno R3
Berikut ini adalah Spesifikasi Mikrokontroller dan komponen yang digunakan dalam penelitian ini, sebagaimana dapat dilihat pada Tabel.1.
Tabel.1 Spesifikasi Mikrokontroler yang digunakan Mikrokontroller Atmega 328
Operasi Voltage 5V
Input Voltage 7-12 V
6-20 V (limits) I (input) / O (output) 14 pin (6 pin untuk
PWM) Arus 50 mA Flash memory 32KB Bootloader SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Kecepatan 16 Mhz
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengambilan data ketiga jenis fluida uji yakni: air, pelumas SAE 30, dan lumpur. Pada tabung pipa acrylic diameter 50 mm, dengan tinggi pipa 750 mm, jarak antara sensor satu dan sensor dua adalah 500 mm.
Tabel .1 Hasil pengujian dan Pengolahan Data Jenis Cairan Referensi (cSt) Hasil Disain (cSt) Simpan gan (%)
Air 0,897 0,882 1,67
SAE-30 100,30 98,18 2,11
lumpur 142,2 138,7 2,46
Pada tabel 1. Terlihat hasil pengujian dengan sampel air pada suhu 25 oC diperoleh nilai
rata-rata viskositas 0,882 Centi stokes (cSt) , berdasarkan referensi 0,897 cSt, terdapat simpangan sebesar 1,67 % antara hasil pengujian pada viskometer yang dibuat (desain) dengan hasil Refrensi (tabel), dari tiga fluida yang diuji, terjadi simpangan yang terkecil pada pengujian dengan fluida (air), hal ini disebabkan oleh karena sensor dengan baik dapat mendeteksi posisi bola uji, baik saat bola uji melewati sensor satu, maupun saat melewati sensor dua, sehingga didapatkan hasil pengukuran waktu tempuh bola yang akurat, sehingga pengukuran viskositas juga akurat.
Hasil pengujian dengan sampel pelumas Mesran SAE 30 diperoleh nilai pengukuran rata-rata viskositas 98,18 Centi stokes (cSt) , berdasarkan referensi, viskositas pelumas SAE 30 adalah 100,30 cSt, sehingga terdapat simpangan sebesar 2,11 % antara hasil pengujian pada viskometer yang dibuat (desain), dibanding dengan data (refrensi), terlihat simpangan yang terjadi lebih besar yakni 0,44 % dibanding simpangan yang terjadi pada pengujian air. Pelumas sebagai suatu fluida viskos dan relatif lebih keruh (gelap) dibanding fluida air, salah satu faktor adanya penambahan simpangan (error) pada viskometer. Sensor cahaya (photo diode) yang digunakan belum bekerja secara sempurna untuk mendeteksi posisi bola baik pada posisi satu (atas), maupun saat bola berada pada posisi dua pada bagian bawah tabung uji.
Hasil pengujian dengan sampel lumpur (mud), dimana hasil pengukuran sebesar 138,7 Centi stokes (cSt), sementara viskositas referensi sebesar 142,2 Centi stokes (cSt), simpangan (error) yang terjadi sebesar 2,46 %. Dibanding dua data fluida yang diuji maka simpangan yang terjadi pada fluida lumpur terlihat simpangan yang terjadi paling tinggi. Hal ini dapat diakibatkan oleh partikel padat dan kekeruhan yang ada pada larutan lumpur, mempengaruhi kesempurnaan/keakuratan sensor untuk mendeteksi posisi bola uji, sehingga dapat mempengaruhi pembacaan pengukuran kecepatan bola, dan viskositas fluida yang diukur. Dari ketiga sampel yang diuji simpangan semua berada dibawah 2,5 %, yang juga berarti hasil pengukuran masih cukup akurat.
4. KESIMPULAN
Telah didesain, dan berhasil dibuat serta diujicba suatu viskometer digital metode bola jatuh dengan menggunakan Mikrokontroller Arduino,
hasil pengukuran dapat ditampilan real time pada display layar LCD 16 x 2. Viskometer yang dibuat mampu mengukur viskositas ketiga jenis fluida uji, yakni air, pelumas dan lumpur. Tingkat keakuratan pengukuran dengan baik dan hasilnya bersesuaian dengan referensi masing-masing fluida uji tersebut dengan nilai simpangan (error) air 1,67, pelumas 2,11 % , dan lumpur 2,46 %.
REFERENSI
1. Abulnaga, B.E. 2002. Slurry Handbook, McGraw-Hill. New York.
2. Arif, S., dan Eko S, β Aplikasi Sensor Fotodiode pada Viskometer Metode bola jatuh Berbantukan Komputerβ, Jurnal Sains Mipa, Vol. 13 No. 3. Desember 2007. Hal. 251-256. 3. Mujiman. (2008). Simulasi pengukuran Nilai
Viskositas Oli. Telkomnika.Vol.6, No. 1 Hal, 49-56.
4. Briescoe, B.J. Luckhan P.F. (1992). An Assesment of a Rolling Ball viscometer for Non-Newtonian Fluids. Vol. 66, pp. 153-162 5. Ridwan, Ridha Iskandar. (2014). Rancang
Bangun Viskometer Digital. SNTM. Petra Surabaya.
6. Warsito, Suciati, S.w. Isworo D, 2011. Desain dan Analisis Pengukuran Viskositas Berbasis
Optocoupler... Jurnal Natur Indonesia. 2012. Hal. 230-235.
7. Tri M,. Ardian SP, Neran, β Desain Viskometer tekomputerisasi, Jurnal sain dan teknologi Kimia,. Vol. 4 No. 2, Oktober 2012, Hal 169-173
8. Munson, B.R, Donal F.Young.
(2003),Fundamentals of Fluids Mechanics. John Wiley and Son, INC.
9. Teguh, F, Sukiswo, Rancang Bangun Alat Uji Kelayakan Pelumas Kendaraan Bermotor. UPJ 2 Vol. 1 2013, Hal. 30-34
10. Leblanc.G.E and Secco,R.A.(1995)βHigh Pressure Stokes βViscometri Review of Scientific Instrumens.Vol.66.pp.5015 β 5018 11. Petjo G dan Ridwan. (2009). Kajian Viskometer
Tabung. Final Report. FTI- Gunadarma. 12. http://www.engineersedge.com/fluid_flow/flui
d_data.htm. (diakses 2 Maret 2015)
13. Plumlee, Geoffrey, et al, 2008. Prelimenary Analytical Result for a Mud sample collected from the LUSI Mud vulcano, Sidoarjo, East Java, Indonesia. USGS. Science
