BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
5.1
Desain Sistem Alat pengukur kecepatan aliran yang dibangun pada tugas akhir ini
menggunakan beberapa bagian penting sehingga dapat digunakan untuk mengetahui waktu tempuh gelombang ultrasonik, yang pada akhirnya dapat digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran bahan yang melalui system yang dibangun. Bagianbagian tersebut dapat dilihat pada diagram blok di bawah ini.
Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem Pengukuran Kecepatan Aliran Menggunakan Ultrasonik
Dari diagram blok di atas, dapat dilihat bahwa transmitter mengirimkan sinyal berupa gelombang ultrasonik yang akan melalui aliran bahan yang berada dalam pipa. Setelah melalui bahan, sinyal tersebut akan diterima oleh receiver. Sinyal dari transmitter dan receiver kemudian akan dilihat pada tampilan osiloskop digital. Gambar prototipe yang dikembangkan adalah sebagai berikut:
38
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
39
Gambar 4.2 Sistem Pengukuran Menggunakan Ultrasonik
5.1.1
Transmitter Transmitter
merupakan
bagian
dari
sistem
yang
berfungsi
untuk
membangkitkan serta mengirimkan sinyal berupa gelombang ultrasonik dengan frekuensi 40kHz. Bagian transmitter dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
40
D C1
C2
10uF
1KpF
1N 4002
positif (+) 1 2
RV1
negatif (-) DC 12V 6
7
3
10k
TH 5
4
1
TR
GND CV
VCC R
8
2
Q
12k
DC
NE555
R
Transducer
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.3 (a) Rangkaian Transmitter (b) Board Transmitter (c) Transmitter Ultrasonik
Seperti yang terlihat pada gambar 4.3(a), rangkaian transmitter terdiri dari rangkaian multivibrator astabil dengan menggunakan komponen ne555 dan beberapa komponen lainnya. Keluaran dari ne555 kemudian akan diterima oleh transducer ultrasonik yang berfungsi sebagai transmitter. Sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian transmitter pada kaki 3 ne555 dapat dilihat pada gambar berikut.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
41
Gambar 4.4 Sinyal Keluaran Transmitter
5.1.2
Pipa Pipa yang digunakan yaitu pipa paralon dengan diameter 2,5 cm. Pada pipa
yang akan dialiri bahan ini, terpasang transmitter dan receiver dengan desain sebagai berikut.
Gambar 4.5 Desain Sistem Pipa
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
42
Dengan desain sistem seperti pada gambar di atas, maka kecepatan aliran didapatkan dengan menyubstitusikan persamaan t 0 =
s dengan persamaan 2.12 c
sehingga didapatkan persamaan seperti persamaan 3.4
v=
c(t 0 − t1 ) t1 cos Φ
Dengan t0 adalah waktu tempuh gelombang ultrasonik saat tidak ada aliran bahan dan t1 adalah waktu tempuh gelombang ultrasonik saat terdapat aliran bahan dalam pipa.
5.1.3
Receiver Receiver berfungsi menerima sinyal berupa gelombang ultrasonik yang
dipancarkan oleh transmitter dan telah melalui aliran bahan. Bagian ini terdiri dari transducer ultrasonik serta penguat sinyal agar perubahan yang terjadi pada receiver saat menerima gelombang ultrasonik dapat diamati. Rangkaian receiver dapat dilihat pada gambar berikut. D5
R9 1k
C6
R2
R4
10k
3k9
47uF
D4
R7
ZD7,5V
1k
1N 4002
RL1
D6
6V
1N 4148
Q2 FCS 9014
RV 10k
Q1 FCS 9014
10KpF
R1 100k Transducer
D1
R3 100
C1 1uF
D3
C2
R5 680
1N 4148
Q3
R6
1N 4148
Q4
R8
FCS 9014
10k
FCS 9014
1k
D2
C3
C4
C5
1N 4148
10KpF
220uF
10uF
(a)
positif (+) 1 2 negatif (-) DC 12V
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
(b)
43
(c)
Gambar 4.6 (a) Rangkaian Receiver (b) Board Receiver (c) Receiver Ultrasonik
Receiver ultrasonik menerima sinyal dengan tegangan yang kecil. Oleh karena itu perlu dilakukan dengan menggunakan rangkaian yang terlihat pada gambar 4.6(b). pada rangkaian tersebut digunakan transistor NPN yang berfungsi sebagai penguat cascade. Terjadi tiga kali penguatan, yaitu pada transistor Q1, Q2, dan Q3. Sedangkan transistor Q4 merupakan saklar yang mengaktifkan atau menonaktifkan relay dengan jenis Normally Open (NO). Sinyal keluaran dari receiver yang digunakan adalah sinyal dari kaki kolektor Q4.
5.1.4
Display Display yang digunakan pada sistem ini yaitu osiloskop digital. Osiloskop ini
dapat memperlihatkan adanya perubahan yang terjadi pada transmitter dan receiver saat mengirim dan menerima gelombang ultrasonik. Selain itu, osiloskop ini memiliki dua kursor yang memungkinkan dilakukannya pengukuran terhadap perbedaan waktu antara sinyal dari transmitter dan receiver.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
5.2
44
Pengujian Sistem Pengujian pada sistem dilakukan pada beberapa keadaan, yaitu saat tidak
terdapat fluida dan saat terdapat fluida. Pada saat terdapat fluida, pengukuran dilakukan pada saat tidak terdapat aliran dan saat terdapat aliran.
5.2.1
Pengujian Cepat Rambat Gelombang Ultrasonik di Udara Pengujian
dilakukan
dengan
melakukan
pengukuran
waktu
tempuh
gelombang ultrasonik saat tidak terdapat air dalam pipa. Pengukuran dilakukan dengan menyelisihkan waktu saat transmitter mulai mengeluarkan sinyal (t1) dengan waktu saat receiver mulai menerima sinyal dari transmitter (t2). Seluruh pengujian sistem yang dilakukan menggunakan osiloskop digital dilakukan dengan metode tersebut. Salah satu hasil pengujian dengan nilai t = 120 μs dapat dilihat pada gambar berikut
Gambar 4.7 Display Pengujian Cepat Rambat Gelombang Ultrasonik di Udara
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
45
Berdasarkan hasil pengujian tersebut, dengan menggunakan distribusi Gauss dan Cumulative Distribution Function (cdf) didapatkan waktu tempuh gelombang ultrasonik di udara (tanpa air) dengan probabilitas 90% pada keadaan 1 dan keadaan 2 sebagai berikut t0 rata-rata σ
128,125 22,78
Berdasarkan data di atas, diketahui bahwa waktu tempuh gelombang ultrasonik diudara pada jarak 0,28 m adalah sebesar 128,125 μs. Sehingga didapatkan kecepatan gelombang ultrasonik sebesar 218,5 m/s.
5.2.2
Pengujian dengan Air Pengujian dengan air dilakukan pada dua keadaan, yaitu tanpa aliran dan
dengan aliran. Perbedaan yang terjadi akan digunakan untuk menentukan kecepatan aliran. a.
Tanpa Aliran
Gambar 4.8 Display Pengujian Sistem dengan Air, Tanpa Aliran
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
46
Salah satu tampilan dari pengujian yang telah dilakukan dengan hasil t = 20 μs dapat dilihat pada gambar 4.8. Dari beberapa pengujian yang dilakukan, didapatkan data seperti yang terdapat pada lampiran. Dengan menggunakan distribusi Gauss dan cdf untuk probabilitas 90% didapatkan hasil sebagai berikut : t0 rata-rata (μs) Σ
19,69 2,09
Dengan jarak antara transmitter dan receiver sebesar 0,28 m, maka dapat diketahui bahwa kecepatan gelombang ultrasonik yang melalui fluida adalah sebesar 1421,8 m/s.
b.
Dengan Aliran
1.
Pengukuran Kecepatan Aliran Fluida Pengujian sistem 1 dilakukan dengan mengukur waktu (t) dan jarak (s) jatuhnya air pada sistem berikut
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
47
h
t 0,6 m
s
Gambar 4.9 Desain Pengukuran Aliran Fluida
Dengan menggunakan sistem tersebut, didapatkan data seperti pada lampiran. Berdasarkan data tersebut, didapatkan nilai kecepatan aliran dengan menggunakan persamaan
v = s . Dengan distribusi Gauss dan cdf t
didapatkan kecepatan aliran air (v) pada ketinggian masing-masing ketinggian sebagai berikut. H (m) 0,5 1,5 2,5
v (m/s) 2,77 4,71 7,08
Dari data di atas dapat dilihat bahwa ketinggian jatuhnya air mempengaruhi kecepatan aliran.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
2.
48
Pengukuran Kecepatan Aliran Fluida Menggunakan Gelombang Ultrasonik Pengujian sistem dengan aliran dilakukan dengan ketinggian yang berbedabeda. Gambaran pengujian sistem yang dilakukan adalah sebagai berikut :
h
Receiver
v
60°
Transmitter
Gambar 4.10 Desain Pengujian Sistem
Pengujian sistem dilakukan pada ketinggian yang berbeda sehingga didapatkan data seperti yang terdapat pada lampiran. Salah satu tampilan yang didapatkan dari pengukuran pada 0,5 m dengan nilai t = 18 μs adalah sebagai berikut
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
49
Gambar 4.11 Display Pengujian Sistem dengan Aliran Menggunakan Ultrasonik
Berdasarkan data yang diperoleh, maka didapatkan waktu tempuh gelombang ultrasonik (t1) dan kecepatan aliran (v) berdasarkan persamaan 3.4 adalah sebagai berikut : h (m) 0,5 1,5 2,5
t1 (us) 19,68 19,66 19,64
v (m/s) 2,63 4,70 7,09
Dari data di atas dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan kecepatan aliran air yang diakibatkan oleh perbedaan ketinggian.
5.3
Analisis Dari pengujian sistem tanpa menggunakan gelombang ultrasonik dan dengan
gelombang ultrasonik, didapatkan grafik berikut.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
50
Perbandingan Kecepatan Aliran 3
Tinggi (h)
2,5 2 non ultrasonik
1,5
ultrasonik
1 0,5 0 0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
Kecepatan (m /s)
Gambar 4.12 Kurva Perbandingan Kecepatan
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa nilai kecepatan aliran berdasarkan hasil pengujian sebanding dengan ketinggian selang. Semakin tinggi tempat turunnya air, maka kecepatannya pun akan semakin besar. Hal itu sesuai dengan persamaan Bernoulli pada persamaan 1.6. Kecepatan yang didapatkan dari pengujian pertama, tanpa menggunakan ultrasonik, memiliki nilai yang hampir sama dengan pengujian sistem menggunakan gelombang ultrasonik. Selisih antara kedua pengujian tersebut adalah, Δ=
v non −ultrasonik − vultrasonik v non −ultrasonik
x100%
... (4.1)
Dari persamaan di atas, didapatkan selisih antara kedua pengujian tersebut berkisar antara berkisar antara 0,1% - 4 %.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
51
Salah satu hal yang mempengaruhi besarnya waktu tempuh gelombang ultrasonik yang diperoleh adalah penggunaan kapasitor pada rangkaian receiver, khususnya pada kapasitor C4 dan C5. Hal itu dikarenakan terjadinya proses pengisian dan pengosongan kapasitor yang membutuhkan waktu. Semakin besar nilai kapasitansi kapasitor tersebut, maka muatannya makin besar, sehingga waktu pengisian serta pengosongan kapasitor pun akan semakin lama. Hal itu menyebabkan waktu tempuh gelombang ultrasonik seolah-olah menjadi lebih lama.
