Alat Ukur Kecepatan dan Kapasitas Aliran

BAB VI

ALAT UKUR KECEPATAN DAN KAPASITAS ALIRAN

Pada bab ini akan dibahas tentang alat-alat ukur kecepatan aliran, dan kapasitas aliran yang sangat terkait dengan prinsip kerja mekanika fluida.

6.1. Alat Ukur Kecepatan Aliran

Kecepatan aliran disamping dapat diukur dengan Pitot Static Tube seperti telah dijelaskan di depan, juga dapat diukur dengan alat yang sering disebut Anemometer.

Sejalan dengan perkembangan teknologi dan tuntutan ketelitian pengukuran, maka ada dua tipe alat ukur kecepatan aliran, yaitu : mekanik dan non mekanik (tipe ini pada umumnya lebih modern).

6.1.1. Alat Ukur Kecepatan Aliran Tipe Mekanik

Secara umum tipe mekanik ini dikelompokkan lagi berdasarkan jenis fluida yang diukur. Untuk fluida sejenis udara sering disebut Anemometers, sedang untuk fluida cair sering disebur Currentmeters. Kedua tipe tersebut, secara prinsip terdiri dari sesuatu bagian peralatan yang berputar dengan kecepatan putar yang tergantung pada besarnya kecepatan airan yang diukur. Dengan kata lain, dengan mengetahui kecepatan putarnya maka akan diketahui kecepatan aliran fluidanya.

1. Anemometer

Ada beberapa tipe anemometer dan terus berkembang sesuai dengan perkembangan zaman. Dua diantaranya adalah cup type dan propeler type, pencatatannya bisa manual atau digital.

Gambar 6.1 Beberapa macam Anemometer, cup type dan propeler type

Dirancang diameter keliling putaran cawan D = 10 cm, ditiup angin sehingga putarannya 1000 rpm. Berapa kecepatannya ( m/s)

v = π.D.n = 3,14 . 10 cm. 1000 rpm = 31400 cm/min = ……m/s

31400

^𝑐𝑚

𝑚𝑖𝑛

𝑥

^𝑚

100 𝑐𝑚

𝑥

^𝑚𝑖𝑛

60 𝑠

=

³¹⁴⁰⁰

100 𝑥 60 𝑚

𝑠

= 5,23 𝑚/𝑠

n = putaran poros, rpm

D = Diameter lingkaran yang dibuat oleh Cup

Gambar 6.2 Anemometer propeler type (digital)

Gambar 6.3 Konstruksi anemometer cup type

2. Current meters

Seperti pada anemometer, Current meter juga ada beberapa tipe dan terus berkembang sesuai dengan perkembangan zaman. Dua diantaranya adalah cup type dan propeler type, pencatatannya bisa manual atau digital.

D

Gambar 6.4 Current meter propeler type

Gambar 6.5 Konstruksi current meter cup type

Gambar 6.6 Current meter propeler type (digital)

6.1.2. Alat Ukur Kecepatan Aliran Tipe non Mekanik

Dalam sub bab ini akan dijelaskan 4 tipe alat ukur kecepatan aliran non mekanik atau yang sering disebut sebagai Non-mechanical anemometer, yaitu :

- Hot-wire Anemometer dan Hot-film Anemometer - Sonic atau Acoustic Anemometer

- Laser-Dopper Anemometer 1. Hot-wire dan Hot-film Anemometer

Kedua tipe alat ini mempunyai prinsip kerja yang sama, yang membedakan keduanya terletak pada sensornya. Hot-wire menggunakan sensor dari kawat kecil yang terbuat dari Tungsten yang dilapisi dengan platina tipis ada permukaannya. Sedangkan hot film menggunakan sensor dari bahan Quartz yang dilapisi dengan platina.

Gambar 6.7a Sensor Hot-wire Anemometer dan Hot-film Anemometer

Gambar 6.7b Sensor Hot-wire Anemometer dan Hot-film Anemometer

Prinsip kerja dari kedua alat tersebut secara singkat adalah sama , sensor dipanaskan secara elektronik oleh sirkuit elektronik yang dapat mengukur power supplied pada element. Power supplied tersebut tergantung pada kecepatan normal aliran pada sensor berdasarkan persamaan perpindahan panas antara sensor dan fluida.

Ada 2 tipe cara kerja elektronik dari sensor alat ini, yaitu : constant temperature dan constant current circuit

a. Constant temperature circuit

Pada alat ini, sensor merupakan salah satu dari kaki jembatan sirkuit, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 6.8 Constant temperature dan current circuit

Sistem tahanan diseimbangan pada saat tidak ada aliran dengan menggunakan tahanan variabel, pada kondisi ini tidak terjadi keseimbanagan voltase output. Bila ada aliran fluida , maka aliran fluida akan mendinginkan sensor dan menyebabkan tahanan sensor turun. Hal ini menyebabkan detector merasa kondisi tidak seimbanag dan merubah voltase output untuk menaikkan arus yang mengalir pada sensor, sehingga membawa temperetur sensor pada nilai semula.

Jembatan voltase, V (voltase output dari amplifier) adalah sebanding dengan arus, I yang mengalir pada sensor karena seluruh tahanana dijaga konstan. Karena daya , P = V. I, maka voltase kuadrat (V²) adalah sebanding dengan perpindahan panas sesaat dari sensor.

b. Constant current circuit

Pada Constant current circuit, arus pada sensor dijaga konstan dengan cara meletakkan sensor ser idengan suatu tahanan yang sangat besar relatif terhadap tahanan sensor itu sendiri. Bila aliran fluida mengalir mendinginkan sensor, tahanan sensor akan menurun, yang menyebabakan ketidakseimbanagan jembatan dengan cara merubah voltase pada titik A ( lihat Gambar 6.8 ). Ketidakseimbangan voltase adalah output yang harus dibesarkan melalui amplifier. Umumnya sistem ini lebih komplek dioperasikan, dan kurang akurat dibandingkan dengan siatem constant temperatur.

Menurut “ King “ bahwa daya yang dipindahkan dari sebuah sensor wire atau sensor film dapat diekspresikan sebagai berikut :

P = I

²

.R

sor

= (a + b . (ρ.v)

^1/2

) (T

sor

– T

flu

)

(6-1) Dimana :

P = daya yang dipindahkan oleh sensor I = arus yang mengalir pada sensor v = kecepatan fluida yang mengalir ρ = massa jenis fluida yang mengalir Rsor = Tahanan sensor

Tsor = temperatur sensor

Tflu = temperatur fluida yang mengalir

a & b = konstanta yang diperoleh dari hasil kalibrasi

Untuk constant temperature system Rsor dan Tsor adalah konstan, maka V² sebanding dengan I², dan untuk temperatur fluida yang diusahakan konstan maka berlaku :

V

²

= (a + b . (ρ.v)

^1/2

)

(6.2)

Dimana V adalah voltase out-put dari jembatan tahanan.

2. Sonic atau Ultrasonic Anemometer

Gambar 6.9 Sonic atau ultrasonic anemometer 3. Acoustic Anemometer

Gambar 6.10 Acoustic anemometer 4. Laser-Doppler Anemometer

Gambar 6.9 Laser Doppler anemometer

6.2. Alat Ukur Kapasitas Aliran

Pengukuran kapasitas aliran dapat dibedakan menjadi dua, yaitu : Pengukuran kapasitas aliran pada saluran terbuka (sungai) dan saluran tertutup (dalam pipa).

6.2.1. Pengukuran Kapasitas Aliran (debit) pada Saluran Terbuka

Misalnya aliran sungai, atau aliran lainnya yang pada dasarnya ada bagian aliran yang kontak langsung dengan suatu permukaan bebas. Ada dua alat ukur untuk aliran terbuka, yaitu Tipe Rectanguler Weir dan Tipe V-notch Weir.

1. Tipe Rectanguler Weir

Alat ukur jenis ini ditunjukkan pada Gambar 6.10 di bawah ini.

Gambar 6.10. Rectangular weir.

Kapasitas aliran Q yang diukur dengan peralatan ini harganya tergantung pada lebar weir L dan tinggi permukaan fluida di atas weir H, yang dirumuskan sebagai berikut:

5 .

xLH

1

33 . 3

Q =

_



 



 s m³

(6-3)

Soal. Sebuah Rectangular weir mempunyai lebar 500 mm, bila ketinggian air dalam Rectangular weir adalah 20 mm , maka berakah kapasitas alirannya ?

Jawab : 𝑄 = 3,33 𝑥 0,5 𝑚 0,2^1,5𝑚 = ⋯^𝑚3

𝑠

2. Tipe V-notch

Alat ukur jenis ini ditunjukkan pada Gambar 6.11 di bawah ini.

Gambar 6.11. V-notch weir.

Kapasitas aliran Q yang diukur dengan peralatan ini harganya tergantung pada tinggi permukaan fluida di atas weir H dan sudut puncak weir α, yang dirumuskan sebagai berikut:

( tan ) xH

^2.5

x

5 . 2

Q = 

_



 



 s m³

(6-4)

V-notch Weir dengan sudut α = 60^o, diukur tingggi air 10 cm, maka berapa kapasitasnya

Q = 2,5 . tan 60

^o

. (0,1)

^2,5

m = m

³

/s

Gambar 6.12. Dimensi Rectangular dan V-notch weir

Gambar 6.13. Contoh V-notch weir

Gambar 6.14. Beberapa contoh V-notch weir dan Rectanguler

6.2.2. Pengukuran Kapasitas Aliran pada Saluran Tertutup

Aliran yang tidak memungkinkan ada bagian aliran yang berkontak langsung dengan permukaan bebas, misalnya aliran dalam pipa. Beberapa peralatan pengukur kapasitas aliran tertutup adalah ; Elbow Flowmeter, Venturi meter, Nosel, dan Orifice.

a. Venturi meter

Prinsip kerja alat ini adalah memanfaatkan perubahan tekanan aliran seperti ditunjukkan pada Gambar 6.21.

Gambar 6.15. Venturi meter.

Gambar 6.16. Grafik koefisien koreksi aliran pada venturi meter.

Dalam hal ini kapasitas aliran ditentukan berdasarkan Persamaan 5.8 berikut ini

( )

_



 



 + −

 



 −



 



−

= ^{1 2} _{1 2}

2

1 2 2

v P P Z Z

g 2 A

1 A A Q C

 ^(6.5)

dimana: Cv = koefisien koreksi aliran, besarnya ditentukan berdasarkan Gambar 6.16 A1 dan A2 = luas penampang saluran pada titik 1 dan 2

P1 dan P2 = tekanan manometer pada titik 1 dan 2

Z1 dan Z2 = tinggi titik 1 dan 2 ( pada contoh gambar tsb, Z1 = Z2)

γ = berat jenis fluida yang mengalir , misalkan air (water) = ρ. g = 1000 kg/m³. 9,81 m/s² = 9810 N/m³

Contoh

Suatu fluida yang memunyai (massa jenis ρ = 900 kg/m³ dan viskositas absolute μ = 10^-4 kg/m.s) diukur dengan menggunakan venturi meter berdiameter d1 = 12.5 mm dan d2 = 6.25 mm yang dipasang mendatar. Tekanan yang ditujukkan manometer masing- masing P1 = 1.5 bar dan P2 = 1.1 bar. Tentukan kapasitas aliran fluida tersebut

Penyelesaian:

( )

_



 



 + −

 



 −



 



−

= ^{1 2} _{1 2}

2

1 2 2

v P P Z Z

g 2 A

1 A A Q C



dimana:

(

0.0125m

)

1.23x10 m d 4

A₁ =4 ₁² = ² = ⁻⁴

(

0.00625m

)

0.31x10 m d 4

A₂ =4 ₂² = ² = ⁻⁴

2 5

1 m

10 N x 5 . 1 bar 5 . 1

P = =

2 5

2 m

10 N x 1 . 1 bar 1 . 1

P = =

3 2

3 m

8829 N s

81m . 9 m x 900kg

g = =

=



2

1 Z

Z = , karena venturi dipasang mendatar

Selanjutnya untuk pendekatan awal dimisalkan harga Cv = 0.95

( )

















+















 −



 



−

=

−

−

−

0 m

8829 N

m 10 N x 1 . m 1 10 N x 5 . 1 s 81m . 29 m

10 x 23 . 1

m 10 x 31 . 1 0

m 10 x 31 . 0 x 95 . Q 0

3

2 5 2

5

2 2

4 4 4

s 10 m x 87 . 2

3

−4

= Ingin dijadikan liter per menit ? = 2,87 𝑥 10^{−4 𝑚3}

𝑠 𝑥^{1000 𝐿𝑡}

𝑚³ 𝑥 ^{60 𝑠}

𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡= ⋯ . ^𝐿𝑡

𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

Langkah selanjutnya adalah memeriksa apakah harga Cv pemisalan tersebut sudah tepat atau belum. Untuk itu dihitung harga Re dengan terlebih dahulu menghitung harga V2 berdasarkan kapasitas aliran yang didapatkan dari hasil perhitungan.

( )

s

35m . 2 9 m 00625 . 0 x

s 10 m x 87 . 2 x 4 d

Q V 4

3 4

2 2

2 = = =

−



 maka:

5 4

2 3 5.3x10

s . m 10 kg

m 00625 . 0 s x 35m . 9 m x 900kg

Re= Vd = =





dari Gambar 6.16, untuk harga Re = 5.3x10⁵ dan d1 x d2 = 12.5 mm x 6.25 mm didapat harga Cv = 0.96. Ternyata harga ini lebih besar dari harga pemisalan, maka harus dilakukan perhitungan ulang dengan menggunakan harga Cv baru yaitu 0.96.

( )

















+















 −



 



−

=

−

−

−

0 m

8829 N

m 10 N x 1 . m 1 10 N x 5 . 1 s 81m . 29 m

10 x 23 . 1

m 10 x 31 . 1 0

m 10 x 31 . 0 x 96 . Q 0

3

2 5 2

5 2 2

4 4 4

s 10 m x 9 . 2

3

−4

= maka

(

^0.00625m

)

^{2 9.44ms}

x

s 10 m x 9 . 2 x 4 d

Q V 4

3 4 2

2

2 = = =

−





5 4

2 3 5.35x10

s . m 10 kg

m 00625 . 0 s x 44m . 9 m x 900kg

Re= Vd = =





Berdasarkan Gambar 6.14, untuk harga Re = 5.35x10⁵ dan d1 x d2 = 12.5 mm x 6.25 mm didapat harga Cv = 0.96 yang berarti sudah hampir sama dengan harga pemisalan.

Dengan demikian kapasitas aliran terukur adalah:

s L s

x m

Q 2.90 10 0.29

3

4 =

= ⁻

b. Orifice

Orifice dan Venturi pada prinsipnya sama, yaitu memanfaatkan perubahan tekanan pada aliran, yang membedakan hanyalah bentuknya.

Gambar 6.17. Orifice meter.

Gambar 6.18. Koefisien orifice meter.

Kapasitas aliran ditentukan berdasarkan di bawah ini.

( )

_



 



 + −

 



=  −P¹ P² Z₁ Z₂ g

2 CA

Q



^(6-6)

2

1 2 c

c v

A C A 1

C C C



 



− 

= _(6-7)

dimana: Cv = koefisien koreksi aliran

Cc = koefisien kontraksi aliran pada orifice

C = koefisien orifice, besarnya ditentuka dari Gambar 3.16 A = luas penampang lubang orifice

A1 = luas penampang saluran pada titik 1 P1 dan P2 = tekanan manometer pada titik 1 dan 2 Z1 dan Z2 = tinggi titik 1 dan 2

γ = berat jenis fluida yang mengalir

c. Float meter (Rotameter)

Ada beberapa peralatan ukur kapasitas yang tidak mengukur tekanan tetapi langsung menghasilkan keluaran yang proporsional dengan kapasitas, sebagai contoh adalah float meter (rotameter) dan turbine flow meter

Gambar 6.19. Komponen Float meter atau Rotameter

Float meter digunakan untuk mengukur kapasitas cairan atau gas secara langsung.

Pada saat ada aliran fluida float akan terangkat sampai gaya drag dan berat float berada dalam kesetimbangan. Dengan asumsi aliran inkompresibel maka kapasitas juga dapat ditentukan dengan Persamaan 6.11 berikut ini:

( )











 −



 



− −

= −

ff f

ff f 2 f

t f t

f t d

gV A 2 A

A 1 A

A A Q C







(6.8)

dimana: Cd = koefisien keluaran At = luas tabung Af = luas float Vf = volume float

A1 = luas penampang saluran pada titik 1 γf = berat jenis float

γff = berat jenis fluida yang mengalir

Gambar 6.20. Beberapa macam Float meter atau Rotameter

d. Turbine flow neter

Untuk turbine flow meter cara untuk mengukur kapasitas aliran adalah dengan menggunakan baling-baling yang dipasang pada bagian silinder tabung (Gambar 5.24).

Dengan perencanaan yang tepat maka turbine flow meter dapat mengukur kapasitas aliran dengan jangkauan yang lebar.

Gambar 6.21. Konstruksi Turbine flow meter

Gambar 6.22. Konstruksi Turbine flow meter

Putaran baling-baling turbine flow meter dapat diambil dengan magnetic pickup atau alat pengindera yang lain dari luar turbine flow meter, sehingga alat ini dapat digunakan dengan aman untuk mengukur fluida yang bersifat korosif atau beracun.

Contoh Soal.

1. a. Manometer yang terpasang pada tabung gas, menunjukkan 50 Psi, maka berapakah tekanan relatifnya, dan tekanan absolutnya.

b. Sebutkan nama alat ukur, untuk : mengukur tekanan, mengukur tempertur, mengukur aliran udara / angin, mengukur kapasitas, mengukur viskositas.

c. Sebutkan alat ukur kapasitas aliran untuk ruang tertutup (pipa) dan untuk ruang terbuka.

2. Air mengalir dalam pipa berdiameter D = 40 cm, diperoleh nilai perbedaan ketinggian permukaan Hg sebesar h = 10 cm. Bila massa jenis air 1 g/cc dan massa jenis Hg = 13 gr/cc , maka hitunglah : a. Kecepatan aliran. b. Debit.

3. Kapasitas suatu aliran diukur dengan menggunakan V-notch Weir dengan sudut α = 60^o bila H = 45 cm , maka hitunglah :

a. Kapasitas aliran

b. Volume air yang mengalir selama 1 menit.

c. Berapa menit lamanya untuk mengisi tandon yang volumenya 1 m³ = (100)³ cm³ c. Laju aliran massa.

Jawab. :

a. Q = 2,5. tan 60^o . 0,45 m = 10 m³/s b. V = Q. t = 10 m³/s. 60 s = 600 m³

c. t = V/Q = 10⁶ cm³ / 10 cm³/s = 10⁵ s = 27,78 jam d. m dot = ρ.Q = 1000 kg/m³ . 10 m³/s = 10⁴ kg/s

𝑚̇ = 𝜌. 𝑄

h

D