BAB V
ALAT-ALAT UKUR TEKANAN DAN TEMPERATUR
Pada bab ini akan dibahas tentang alat-alat ukur Tekanan dan Temperatur yang prinsip kerjanya sangat terkait dengan teori mekanika fluida.
5.1. Alat Ukur Tekanan
Sebelum mempelajari alat ukur tekanan, ada baiknya terlebih dahulu dipahami beberapa istilah yang timbul dari dalam aliran. Ada 3 macam tekanan yang dapat diukur dalam suatu aliran fluida, yaitu :
a. Tekanan Statis
b. Tekanan Stagnasi atau Tekanan Total ( Tekanan Statis + Tekanan Dinamis) c. Tekanan Dinamis ( Selisih Tekanan Stagnasi dengan Statis)
5.1.1. Tekanan Statis
Tekanan statis adalah tekanan yang dapat diukur dengan menggunakan alat ukur yang dapat bergerak bersama-sama aliran. Tekanan (P) yang tertulis dalam Persamaan Bernoulli adalah tekanan statis ini. Tentu saja tidak mudah menciptakan alat ukur yang mampu bergerak bersama-sama aliran (dengan kecepatan yang sama), untuk itu dilakukan cara-cara pendekatan sebagai berikut :
1. Untuk aliran dengan garis arus yang lurus.
Secara teoritis, pada aliran dengan garis arus yang lurus tidak ada perbedaan tekanan statis aliran sepanjang penamping pipa. Ini berarti tekanan ststis aliran di tengah- tengah pipa sama dengan tekanan statis pada dinding pipa. Dengan demikian untuk mendapatkan tekanan statis di dalam aliran cukup dengan mengukur tekanan statis aliran pada dinding pipa. Caranya adalah dengan melubangi dinding saluran dan memasang alat ukur tekanan misalnya manometer, atau dapat juga Bourdon Pressure Gauge. Cara pengukuran ini disebut sebagai Wall Pressure Tap, seperti ditunjukkan oleh Gambar 11.1
Gambar 5.1 Wall pressure tap (Statis) Gambar 5.2 Static pressure probe.
2. Untuk aliran dengan garis arus yang tidak lurus
Untuk aliran dengan garis arus yang tidak lurus, seperti aliran pada belokan, mempunyai perbedaan harga tekanan statis sepanjang penampang pipa. Metode pengukuran tekanan statis dengan Wall Pressure Tap tidak dapat diterapkan.
Untuk tipe aliran ini, pengukuran tekanan statis digunakan Statis Pressure Probe.
Alat ini terbuat dari pipa yang dilubangi pada suatu lokasi tertentu sekeliling pipa, kemudian di ujung pipa dipasang alat ukur tekanan misalnya manometer, atau Bourdon Pressure Gauge, seperti terlihat pada Gambar 5.2
Dengan Static Pressure Probe, dapat diukur distribusi tekanan sepanjang penampang saluran/pipa dengan cara menggeser-geser Static Pressure Probe ke posisi titik yang dikehendaki untuk mengukur tekanannya.
5.1.2. Tekanan Stagnasi atau Tekanan Total
Pada aliran incompresible, tekanan stagnasi didefinisikan sebagai tekanan yang diukur dengan cara memperlambat aliran sampai berhenti ( v = nol) dalam proses tanpa gesekan. Tekanan ini sebenarnya merupakan tekanan gabungan antara tekanan statis dan tekanan dinamis, karenanya sering disebut juga sebagai tekanan total. Untuk mengukur tekanan stagnasi ini, dapat digunakan Tabung Pitot (pipa pitot), berupa sebuah pipa yang dilubangi (titik B) , sementara pada salah satu ujung yang lain (Po) dipasang alat ukur tekanan, seperti manometer atau dapat juga Bourdon Pressure Gage. Pada bagian ujung pipa yamg berlubang ditempatkan dalam aliran dimana pada lubang pipa aliran akan berhenti dan titik ini disebut sebagai titik stagnasi (titik B) , seperti terlihat pada Gambar
Gambar 5.3 Skema dan bentuk fisik Tabung Pitot
Gambar 5.4. Manometer dan Bourdon Pressure Gauge
Soal-1. Bila tabung Pitot (Gambar 5.3) Po dan P dihubungkan dengan Bourdon pressure gauge, sehingga menunjukkan angka Po = 40 Psi dan P = 30 Psi, maka berapakah : tekanan statis, Tekanan stagnasi, dan tekanan dinamis
Penyelesaian : Tekanan Statis, P = 30 Psi Tekanan Stagnasi, Po = 40 Psi
Tekanan Dinamis, Pd = Po – P = 10 Psi
5.1.3. Tekanan Dinamis
Tekanan dinamis aliran adalah tekanan yang timbul akibat kecepatan fluida dalam aliran. Tekanan ini sebenarnya merupakan selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan statis, maka untuk mengukur tekanan dinamis digunakan gabungan alat ukur tekanan statis dan tekanan stagnasi ( wall pressure tap dan tabung pitot ). Gabungan alat ukur ini disebut sebagai Pitot–static Tube, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 5.4. Pitot Static Tube ( Lewat lubang a = PStatis, Lewat lubang b = PStagnasi), selisih lewat lubang a dan lubang b = PDinamis )
Dalam praktek, sering menggunakan Pitot Static Tube untuk mengukur kecepatan aliran. Pada aliran saluran lurus, steady dan incompresible, pengukuran kecepatan aliran dapat menggunakan Pitot Static Tube yang secara sederhana dapat ditunjukkan pada soal di bawah ini.
Soal-2. Pada Gambar 5.4 diperoleh perbedaan ketinggian Hg sebesar h = 10 cm, maka berapakah tekanan dinamisnya ?
Jawab. 𝑃𝑑 = 𝜌. 𝑔. ℎ = 13.000𝑘𝑔
𝑚3𝑥 10 𝑚
𝑠2𝑥 0,1 𝑚 = 13.000 𝑁
𝑚2 = 13.000 𝑃𝑎 = 13 𝑘𝑃𝑎
Soal-3 :
Gambar di samping ini adalah contoh pengukuran kecepatan dan kapasitas aliran dengan menggunakan Pitot Static Tube.
Perbedaan ketinggian tekanan statis di titik a dan tekanan stagnasi di titik b, sebesar h = 25 mm. Bila ρ air raksa = 13.600 kg/m3, dan diameter pipa D = 100 mm. Hitunglah :
a. Tekanan dinamis.
b. Kecepatan aliran c. Kapasitas aliran (debit) Jawaban.
a. Tekanan Dinamis, Pd = ρ.g.h = 13.600 kg/m3. 9,81 m/s2. 0,025 m = 3.188 Pa b. Mengukur kecepatan aliran (V)
Persamaan Bernoulli dari titik a ke titik b
b b
b a a
a P V gz
V gz
P + + = + +
2 2
2 2
(5-1)
Karena :
- titik b adalah titik stagnasi, maka Vb = 0 - Za = Zb
Sehingga persamaan Bernoulli tersebut menjadi :
a a b P V
P + =
2
2
( semua suku dikalikan dengan ρ ), sehingga menjadi rumus :
a b
a P P
V = −
2 . 2
atau
P
dinamis= P
stagnasi- P
statisDengan demikian kecepatan aliran (V) dapat dihitung sbb. : D
( )
a
b a
P V P
V −
=
= 2.
(5-2)
Dalam hal ini, perbedaan tekanan stagnasi Pb dan tekanan statis Pa, dapat ditentukan berdasarkan perbedaan ketinggian air raksa pada manometer pipa U yaitu h.
P
b+ ρ.g (t + h) – ρ
Hg. g.h - ρ.g.t = Pa P
b– P
a= ( ρ
Hg. – ρ
water).g.h
𝑽 = 𝑽𝒂 = √𝟐.(𝝆 𝑯𝒈−𝝆 𝒘𝒂𝒕𝒆𝒓).𝒈.𝒉
𝝆 𝒘𝒂𝒕𝒆𝒓 (5-3)
𝑉 = 𝑉𝑎 = √2.(13.600
𝑘𝑔
𝑚2−1000𝑘𝑔 𝑚3).10𝑚
𝑠2.0,025𝑚 1000𝑘𝑔
𝑚3
= 2,66𝑚
𝑠
c. Menghitung kapasitas
𝑄 = 𝑉. 𝐴 = 𝑉.1
4𝜋. 𝐷2 = 2,66𝑚 𝑠 .1
4𝜋. (0,1𝑚)2 = 0,0209 𝑚3/𝑠 = 20,9𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑠
5.2. Alat Ukur Temperatur
Alat ukut temperatur atau suhu disebut Termometer atau Thermocouple Berdasarkan skala yang dipakai ada beberapa termometer yang dikenal, yaitu :
1. Termometer Celcius ( C ), suhu relativ 2. Termometer Kelvin ( K ), suhu absolut 3. Termometer Fahrenheit ( F ), suhu relatif 4. Termometer Rankine ( R ), suhu absolut 5. Termometer Reamur ( Re ), tidak digunakan
Perbandingan dan hubungan antara ke lima termometer tersebut dapat dilihat pada Gambar 11.5. Sebagai contoh Air mendidih pada tekanan 1 ata. adalah : 100 oC, 212 oF, 373,15 oK, 80 oRe dan 672 oR, sedangkan titik beku 1 ata. adalah : 0 oC, 32 oF, 273,15 oK, 0 oRe dan 492 oR. Hubungan kelima skala tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan sbb. :
1. K = C + 273 4. C = (F-32) . 5/9 2. R = F + 460 5. Re = 4/5 . C
Gambar 5.5 Perbandingan skala Kelvin, Celsius dan Fahrenheit ( P =1 ata)
Berdasarkan fungsinya termometer dapat dikelompokkan menjadi : termometer ruangan, termometer untuk permukaan benda dan termometer untuk gas atau uap.
Gambar 5.6 Beberapa macam termometer
Soal-4 : Diukur dengan termometer Celsius temperatur air menunjukkan 50 oC, maka berapa temperaturnya bila diukur dengan termometer : Kelvin, Fahrenheit, Rankie dan Reamur.
1. K = 50 + 273 = 323 oK 2. F = 1,8 . 50 + 32 = 122 oF 3. R = 122 + 460 = 582 oR 4. Re = 4/5 . 50 = 40 oRe
Soal-5 : Dua buah benda A dan B , masing-masing suhunya 30 oC dan 80 oC, atau dapat dikatakan beda suhunya, ΔT = 50 oC. Maka berapakah beda suhu tersebut bila dinyatan dengan : Kelvin, Fahrenheit, Rankine dan Reamur.
1. ΔT = 50 oC = ΔT = 50 oK ( Rumus konversinya : ΔT = 1 oC = ΔT = 1 oK) 2. ΔT = 50 oC = ΔT = 90 oF ( Rumus konversinya : ΔT = 1 oC = ΔT = 1,8 Fo) 3. ΔT = 50 oC = ΔT = 90 oR ( Rumus konversinya : ΔT = 1 oF = ΔT = 1 oR) 4. ΔT = 50 oC = ΔT = 40 oRe ( Rumus konversinya : ΔT = 1 oC = ΔT = 0,8 oRe)
Soal-6 : Gambar di bawah ini adalah contoh pengukuran kecepatan dan kapasitas aliran dengan menggunakan Pitot Static Tube. Perbedaan ketinggian tekanan statis di titik a dan tekanan stagnasi di titik b, sebesar h = 20 mm. Bila ρ air raksa = 13.500 kg/m3, dan diameter pipa D = 80 mm. Hitunglah :
a. Tekanan dinamis.
b. Kecepatan aliran c. Kapasitas aliran (bebit)
Soal-7 : Kapasitas suatu aliran diukur dengan menggunakan V-notch Weir dengan sudut ϴ = 90o bila H = 20 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
