PENGEMBANGAN SISTEM PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN FLUIDA MENGGUNAKAN GELOMBANG ULTRASONIK
TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan pendidikan Sarjana pada Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung
Oleh FITRIA DANIYANTHI NIRWAN 10203026
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ABSTRAK
Kecepatan aliran fluida merupakan salah satu besaran yang banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Terdapat berbagai metode yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida. Gelombang ultrasonik sebagai suatu gelombang yang dapat ditransmisikan melalui fluida merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran tersebut. Pada metode ini waktu tempuh gelombang ultrasonic saat terdapat aliran dibandingkan dengan waktu tempuh gelombang ultrasonic saat tidak terdapat aliran. Perbedaan waktu tersebut kemudian digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran fluida. Hasil pengujian sistem yang dilakukan memperlihatkan bahwa nilai kecepatan yang didapatkan dengan menggunakan gelombang ultrasonik mendekati nilai kecepatan yang didapatkan dengan metode jatuhan air.
Kata kunci : kecepatan aliran fluida, gelombang ultrasonik, waktu tempuh
ii
ABSTRACT
Fluid flow velocity is one of the most commonly used measurement unit. There are various methods to measure fluid flow velocity. Ultrasonic wave as a wavelet which can be transmitted through fluids is one of the method to do the measurement. In this method, the travel time of ultrasonic wave under flowing fluid is compared with the travel time with no flowing fluid. The time difference will then be used to calculate the velocity. System test results showed the velocity value obtained using ultrasonic method is similar with results obtained using method based on Bernoulli equation.
Keyword : Fluid flow velocity, ultrasonic wave, travel time.
iii
PRAKATA
Alhamdulillah, itulah satu kata yang dapat diucapkan penulis sebagai rasa syukur kepada Allah SWT , karena berkat rahmat dan izin-Nya lah maka penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tak lupa shalawat dan salam semoga selalu tercurah pada Nabi Muhammad saw, keluarga, dan para sahabatnya. Sebagai salah satu syarat kelulusan pendidikan Sarjana pada Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung, maka penulis membuat tugas akhir yang berjudul Pengembangan Sistem Pengukuran Kecepatan Aliran Fluida Menggunakan Gelombang Ultrasonik. Tugas akhir ini merupakan aplikasi dari ilmu-ilmu yang telah penulis dapatkan selama masa perkuliahan. Terdapat berbagai rintangan yang dihadapi penulis selama mengerjakan tugas akhir ini. Tanpa dukungan, bantuan, saran, serta kritik dari berbagai pihak, penulis mungkin tidak dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1. Dr. Suprijadi selaku dosen pembimbing yang telah memberikan arahan, bimbingan, kritik, serta saran selama pengerjaan tugas akhir ini. 2. Dr. Wahyu Srigutomo dan Dr. Mitra Djamal selaku dosen penguji pada sidang tugas akhir ini, yang telah memberikan masukan-masukan sehingga tugas akhir ini bisa menjadi lebih baik.
iv
3. Kedua orang tua, papi dan mami, terima kasih atas semua dukungan, kasih sayang, semangat, dan doa yang selalu tercurah pada penulis. Semoga anakmu ini dapat membalasnya. Amin.. 4. Kakak dan adik ku, Febrina Daniyanthi Nirwan dan Nia Daniyanthi Nirwan, terima kasih atas motivasi, dukungan, serta doa yang selalu dilimpahkan. Doain teteh terus ya… 5. Maula Abdurrachman, terima kasih atas semua dukungan, bantuan, doa, dan sindirannya yang memotivasiku menyelesaikan tugas akhir ini. Doain ria cepet dapet kerja ya… (^_^) 6. Dua sahabatku, Rani Febriani dan Indri Yulianti, kebersamaan selama masa kuliah, baik saat-saat menyenangkan maupun saat menyedihkan, merupakan kenangan indah yang tak mungkin terlupakan. Semoga kita bisa terus bersahabat sampai kapan pun. Kapan ya jalan-jalan bareng lagi…??? 7. Teman-teman lab DSP : Opik, Sandy, Zamzam, Aah, Zaky, Sopian, Atep, Yusuf, K’Adimas, K’Farid, Rani, Indri, Nissa, dan Ichee. Makasih atas semua bantuan, semangat, diskusi, dan kebersamaan yang hangat selama ini. 8. Teman-teman lab sebelah : Yanuar, Heri, Harri, Suryadi, Nur, Kang Asep, K’Arif, K’Johan, K’Marshandy, terima kasih atas bantuannya. 9. Teman-teman HIMAFI 2003, teman-teman senasib seperjuangan, terima kasih atas semua pengalaman yang telah diberikan, baik sedih maupun yang senang, yang selalu mewarnai perjalanan di kampus ini. Tak lengkap kehidupan kampus ini tanpa kehadiran teman-teman. Ntar kita reunian ya..
v
10. Teman-teman Fisika 2003 : Ni’am (terima kasih atas waktu, bantuan, serta diskusinya tentang software), teman-teman seperjuangan ngejar wisuda Maret (Martin, Eka, Icha), cewe-cewe 2003 (akhirnya kita punya foto juga ya..) 11. Pak Ohin (terima kasih atas kesabarannya menghadapi ria yang selalu minta kunci), Pak Yeye (makasih ya pak atas semua info-info nya..), Pak Dadang, Pak Dede, makasih pak... 12. Serta semua pihak yang telah membantu proses pembuatan tugas akhir ini yang tidak dapat disbutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca sehingga tugas akhir ini akan menjadi lebih baik dan lebih sempurna di kemudian hari. Akhir kata, penulis berharap bahwa tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, khususnya bagi penulis sendiri.
Bandung, Februari 2008
Penulis
vi
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN …………………………………………………… i ABSTRAK ……………………………………………………………………..
ii
ABSTRACT ……………………………………………………………………
iii
PRAKATA ..................…………………………………………………………
iv
DAFTAR ISI …………………………………………………………………..
vii
DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………….
x
BAB I
PENDAHULUAN
1
1.1 Latar Belakang …………..…………………………………….
1
1.2 Rumusan Masalah ……………………………………………..
2
1.3 Tujuan Penulisan ………………………………………………
2
1.4 Ruang Lingkup Kajian ………………………………………...
2
1.5 Metode dan Teknik Pengumpulan Data ....…………………….
3
1.6 Sistematika Penulisan …………………………………………. 3 BAB II
ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA
4
2.1 Sifat-Sifat Fluida ……………………………………………....
4
2.2 Jenis Fluida ……………………………………………………. 6 2.3 Aliran Fluida dalam Pipa ……………………………………… 7 2.3.1 Aliran Laminer dalam Pipa ……….……………………..
7
2.3.2 Aliran Turbulen dalam Pipa …….……………...………..
10
vii
BAB III
2.4 Pengukuran Aliran Fluida dalam Pipa .…………………...…...
12
ALAT PENGUKUR ALIRAN BERDASARKAN WAKTU
19
TEMPUH GELOMBANG ULTRASONIK 3.1 Gelombang Ultrasonik ...………………………………………
19
3.1.1 Energi dan intensitas gelombang ultrasonik ..………….... 20 3.1.3 Intensitas Gelombang Ultrasonik Berdasarkan Jarak ........ 22 3.1.4 Sifat gelombang ultrasonik ......……………...……........... 22 3.2 Ultrasonic Flowmeter ……..…………………………………...
23
3.2.1 Primary Device ...………………………………………..
24
3.2.2 Transducer ……...…………………………………..........
24
3.3 Jenis Ultrasonic Flowmeters …...……………………………...
27
3.3.1 Doppler Ultrasonic Flowmeters …...……………………..
27
3.3.2 Transit Time Ultrasonic Flowmeters ...…………………... 29 BAB IV
SIMULASI PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN
32
MENGGUNAKAN GELOMBANG ULTRASONIK
BAB V
4.1 Waktu Tempuh Gelombang Ultrasonik ...……………………..
31
4.2 Hasil Simulasi ……..…………………………………..............
35
PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA
38
5.1 Desain Sistem ……………..…………………………...............
38
5.1.1 Transmitter ………...……………………………….........
39
5.1.2 Pipa ……..…………………………………..................... 41
viii
5.1.3 Receiver …...…………………………………….............. 42 5.1.4 Display …………...……………………………...............
43
5.2 Pengujian Sistem ……………..…………………………..........
44
5.2.1 Pengujian Cepat Rambat Gelombang Ultrasonik di Udara 44 5.2.2 Pengujian dengan Air ……………...…………………….
45
5.3 Analisis ...………………………………………........................ 49 BAB VI
SIMPULAN DAN SARAN
53
6.1 Simpulan …………………………………………..................... 53 6.2 Saran ...………………………………………............................ 53 LAMPIRAN …………………………………………………………………...
55
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Efek Viskositas …….....……………….……………………….
5
Gambar 1.2 Aliran Fluida dalam Pipa ..…………….……………………….
8
Gambar 1.3 Coriolis Mass Flowmeters ………….………………………….
13
Gambar 1.4 Thermal Mass Flowmeters …………………………………….
14
Gambar 1.5 Positive Displacement …….....……………….………………..
15
Gambar 1.6 Differential Pressure …….....……………….………...……….
15
Gambar 1.7 Turbine Flowmeters …….....……………….…………………..
16
Gambar 1.8 Doppler Ultrasonic Flowmeters …….....……………….……...
17
Gambar 1.9 Transit Time Ultrasonic Flowmeters …….....………………….
18
Gambar 2.1 Rapatan dan Regangan …….....……………….……………….
20
Gambar 2.2 Refraksi …….....……………….……………………………….
23
Gambar 2.3 Refleksi dan Transmisi …….....……………….……………….
23
Gambar 2.4 Interferensi …….....……………….……………………………
23
Gambar 2.5 Diagram Blok Ultrasonic Flowmeters …….....………………..
23
Gambar 2.6 Efek piezoelektrik 1 …….....……………….…………………..
25
Gambar 2.7 Efek piezoelektrik 2 …….....……………….…………………..
25
Gambar 2.8 Efek piezoelektrik 3 …….....……………….…………………..
26
Gambar 3.1 Waktu Tempuh Gelombang Ultrasonik 1 …….....……………..
31
Gambar 3.2 Vektor v dan c …….....……………….………………………...
32
Gambar 3.3 Waktu Tempuh Gelombang Ultrasonik 2 …….....……………..
34
Gambar 3.4 Form Simulasi Perhitungan Kecepatan Aliran dalam Pipa ……
36
x
Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem Pengukuran Kecepatan Aliran 38 Menggunakan Ultrasonik …….....……………….…………………………... Gambar 4.2 Sistem Pengukuran Menggunakan Ultrasonik …….....………..
39
Gambar 4.3 Transmitter …….....……………………………………………
40
Gambar 4.4 Sinyal Keluaran Transmitter ………….……………………….
41
Gambar 4.5 Desain Sistem Pipa …….....……………….…………………...
41
Gambar 4.6 Receiver …….....……………….………………………………
43
Gambar 4.7 Display Pengujian Cepat Rambat Gelombang Ultrasonik di 44 Udara …….....……………….………………………...................................... Gambar 4.8 Display Pengujian Sistem dengan Air, Tanpa Aliran ………….
45
Gambar 4.9 Desain Pengukuran Aliran Fluida …….....……………….…….
47
Gambar 4.10 Desain Pengujian Sistem …….....…..………….……………..
48
Gambar 4.11 Display Pengujian Sistem dengan Aliran Menggunakan 49 Ultrasonik …….....……………….…………………………………………... Gambar 4.12 Kurva Perbandingan Kecepatan …….....……………….…….
50
xi
