UJI KARAKTERISTIK DIMENSI SENSOR ( JARI-JARI ) DARI CUP COUNTER ANEMOMETER
DIAN PALUPI
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
RINGKASAN DIAN PALUPI. Uji Karakteristik Dimensi Sensor (jari-jari) dari Cup Counter Anemometer. Dibimbing oleh Ir. Bregas Budianto, Ass.Dpl dan Ir. Heny Suharsono, MS. Dalam memprediksi kondisi cuaca dan iklim disuatu tempat diperlukan data kecepatan dan arah angin dari tempat tersebut. Data pengukuran kecepatan angin yang akurat didapat bila ditunjang dengan alat ukurnya (anemometer) yang dapat mencatat kecepatan angin secara akurat pula. Untuk memenuhi kebutuhan stasiun pengamatan cuaca mengenai pengadaan alat-alat pengukur cuaca khususnya Cup counter anemometer, Indonesia masih mengimpor dari luar negeri. Hal ini berdampak pada sedikitnya stasiun-stasiun pengamatan cuaca di Indonesia. Sehingga diperlukan suatu penelitian untuk dapat mengembangkan alat ukur kecepatan angin yang dibuat dari bahan-bahan yang mudah didapat, terjangkau harganya akan tetapi dapat menghasilkan data hasil pengukuran yang akurat. Pada penelitian ini Cup counter anemometer dibuat dari lembaran fibreglass (jari-jari) dan belahan bola tenis meja sebagai Cup. Jari-jari yang dibuat dibedakan menjadi lima perlakuan masing-masing dua set (sebagai ulangan) dengan panjang jari-jari sebagai berikut : 5.5 cm, 5.7 cm, 5.9 cm, 6.2 cm dan 6.5 cm. Setiap Cup yang telah dibuat diuji untuk diketahui Cup yang memiliki performa paling baik diantara kelimanya. Dalam proses pengujian alat yang digunakan sebagai sumber angin adalah wind tunnel, sedangkan untuk mengetahui besarnya kecepatan angin yang dihasilkan oleh wind tunnel digunakan anemometer kontrol tipe AN 1 yang telah terkalibrasi. Nilai kalibrasi dari anemometer tersebut yaitu 1 pulsa per 1,25 x 10-3 km. Pengujian Cup anemometer dilakukan dalam tiga tahapan. Tahap pertama pengujian dilakukan secara serentak dan pengujian tahap kedua yaitu Cup anemometer yang memiliki panjang jari-jari yang sama panjang (5,9 cm) diuji secara bersamaan dengan posisi sejajar. Dari kedua tahap pengujian tersebut hasil data jumlah putaran menunjukan bahwa posisi Cup anemometer didalam wind tunnel berpengaruh terhadap hasil jumlah putaran yang dihasilkan. Maka perlu dilakukan pengujian tahap ketiga yaitu Cup counter anemometer diuji secara satu per satu pada posisi bagian ujung dekat luar dari wind tunnel. Hasil jumlah putaran pada pengujian tahap ketiga dibuat plot grafik antara kecepatan (sumbu x) dengan jumlah putaran (sumbu y). Dari grafik hasil penelitian ini terlihat bahwa kelima perlakuan yang diuji memiliki respon linier yang tidak jauh berbeda. Yang membedakan antara satu perlakuan dengan perlakuan yang lainnya hanya slopenya saja. Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa penelitian ini belum dapat menentukan Cup anemometer yang dapat bekerja paling optimal hanya saja Cup anemometer yang terbuat dari bahan fibreglass dan bola tenis meja masih dapat menghasilkan grafik yang linier sampai kecepatan 50 km jam-1.
UJI KARAKTERISTIK DIMENSI SENSOR ( JARI-JARI ) DARI CUP COUNTER ANEMOMETER
DIAN PALUPI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Geofisika dan Meteorologi
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 20 Desember 1983 dengan nama lengkap Dian Palupi dari ayah Solehan Suwito dan ibu Sukini. Penulis adalah putri pertama dari dua bersaudara. Penulis menuntut ilmu di Sekolah Dasar Negeri Kereo IV (1996), Sekolah Menengah Pertama Negeri 153 Jakarta (1999), Sekolah Menengah Umum Negeri 47 Jakarta (2002). Pada tahun 2002 diterima di Institut Pertanian Bogor, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Departemen Geofisika dan Meteorologi melalui jalur USMI. Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains IPB, pada akhir masa studi penulis menyusun skripsi dengan judul Uji Karakteristik Dimensi Sensor (jari-jari) dari Cup Counter Anemometer dibawah bimbingan Bapak Ir. Bregas Budianto, Ass Dpl dan Bapak Ir. Heny Suharsono, MS. .
KATA PENGANTAR Puji syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT, atas Rahmat dan Ridho-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Judul dari karya ilmiah ini adalah Uji Karakteristik Dimensi Sensor (jari-jari) dari Cup Counter Anemometer. Dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih kepada : 1. Bapak Ir. Bregas Budianto, Ass Dpl dan Bapak Ir. Heny Suharsono, MS selaku pembimbing pertama dan kedua yang telah banyak membantu dalam penyelesaian karya ilmiah ini. 2. Bapak Ir. Impron, M.Agr.Sc yang telah bersedia menjadi dosen penguji pada sidang skripsi. 3. Ibu, Ayah, Diah dan Ical atas doa, kasih sayang dan dukungan yang telah diberikan selama penulis mengerjakan skripsi ini. 4. “Kru Bengkel Instrumentasi Meteorologi” yaitu Joko, Mian, Vee, ‘Ntie, Ka Nandang, Pak Khairun dan Ka Rohmat atas bantuan dan kebersamaannya selama 7 bulan ini. 5. Arif yulistianto terimakasih atas segala yang berhubungan dengan momen inersia dan semangat yang diberikan selama satu bulan menjelang seminar hasil. 6. Lina, Nida, Aprian dan Away terimakasih buat pinjaman laptop dan komputer kalian selama penulis mengerjakan perbaikan skripsi ini. 7. Pak Pono, Pak Udin, Ka Azis dan Mba Wanti terimakasih atas bantuan yang diberikannya selama ini. 8. Seluruh Mahasiswa Departemen Geofisika dan Meteorologi angkatan ’39 dan ’38 yang tidak bisa disebutkan satu per satu terimakasih atas segala keceriaannya selama 4 tahun ini. Akhir kata penulis harapkan semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat dan memberikan informasi bagi yang memerlukannya. Penulis mengharapkan adanya saran dan kritik yang membangun mengenai tulisan ini untuk lebih mengembangkan kemampuan dan keterampilan, terutama mengenai Cup counter anemometer.
Bogor, September 2006
Dian Palupi
i
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI .............................................................................................................................. i DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... ii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. ii DAFTAR LAMPIRAN.............................................................................................................. iii I. PENDAHULUAN .................................................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang................................................................................................................. 1 1.2. Tujuan .............................................................................................................................. 1 II. TINJAUAN PUSTAKA........................................................................................................ 1 2.1. Angin ............................................................................................................................... 1 2.2. Alat Pengukur Kecepatan Angin..................................................................................... 1 2.3. Cup Anemometer............................................................................................................. 2 2.4. Momen Inersia................................................................................................................. 2 III. METODOLOGI ................................................................................................................... 3 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................................................... 3 3.2. Alat dan Bahan ................................................................................................................ 3 3.3. Metode Penelitian ............................................................................................................ 3 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................................... 7 4.1. Hasil Pembuatan Cup Anemometer ................................................................................ 7 4.2. Pengujian Alat dan Pengolahan Data.............................................................................. 8 4.3.Penentuan Cup yang memiliki respon linier yang paling lebar....................................... 10 4.4. Momen Inersia................................................................................................................. 11 4.5. Kalibrasi Alat................................................................................................................... 12 V. KESIMPULAN DAN SARAN............................................................................................. 13 5.1. Kesimpulan ...................................................................................................................... 13 5.2. Saran ................................................................................................................................ 13 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................ 14 LAMPIRAN ............................................................................................................................... 15
ii
DAFTAR TABEL Halaman 1.
Nilai R, C dan T ................................................................................................................. 4
2.
Data pengamatan jumlah putaran yang diuji secara bersamaan ........................................ 8
3.
Data Jumlah putaran pada posisi Cup di tengah wind tunnel ............................................ 9
4.
Data jumlah putaran pada posisi Cup di ujung dekat luar wind tunnel ............................. 9
5.
Hasil uji t dari setiap set perlakuan..................................................................................... 10
6.
Massa jari-jari dari masing-masing perlakuan ................................................................... 12
7.
Hasil perhitungan momen inersia ....................................................................................... 12
8.
Nilai kalibrasi dari masing-masing perlakuan.................................................................... 13 DAFTAR GAMBAR Halaman
1.
Anemometer tipe AN 1....................................................................................................... 2
2.
Momen inersia sebuah titik partikel terhadap poros .......................................................... 2
3.
Momen inersia benda pejal ................................................................................................. 3
4.
Segitiga samasisi yang digunakan sebagai pattern ............................................................ 3
5.
Jari-jari anemometer dengan panjang yang berbeda-beda................................................. 3
6.
Belahan bola tenis meja yang digunakan sebagai Cup ...................................................... 4
7.
Proses penyatuan antara Cup dengan jari-jari .................................................................... 4
8.
Poros bermagnet.................................................................................................................. 4
9.
Cup anemometer yang diuji secara bersamaan .................................................................. 5
10. Cup anemometer (5,9 cm) diuji secara bersamaan ............................................................ 5 11. Cup anemometer yang diuji secara satu per satu ............................................................... 5 12. Batang uniform dengan sumbu putar melalui salah satu ujung ......................................... 6 13. Setengah bola dengan sumbu putar melalui salah satu ujung............................................ 7 14. Poros bermagnet dengan sumbu putar melalui pusatnya ................................................... 7 15. Cup anemometer yang akan diuji ....................................................................................... 8 16. Pengaruh antara posisi sensor dengan jumlah putaran....................................................... 8 17. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin dengan panjang jari-jari 5.5 cm....... 10 18. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin dengan panjang jari-jari 5.7 cm....... 10 19. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin dengan panjang jari-jari 5.9 cm....... 10 20. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin dengan panjang jari-jari 6.2 cm....... 10 21. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin dengan panjang jari-jari 6.5 cm....... 11 22. Hubungan jumlah putaran dengan kecepatan angin pada kelima perlakuan..................... 11 23. Hubungan antara jumlah putaran per jam dengan kecepatan (5,5 cm).............................. 12 24. Hubungan antara jumlah putaran per jam dengan kecepatan (5,7 cm).............................. 12 25. Hubungan antara jumlah putaran per jam dengan kecepatan (5,9 cm).............................. 13 26. Hubungan antara jumlah putaran per jam dengan kecepatan (6,2 cm).............................. 13 27. Hubungan antara jumlah putaran per jam dengan kecepatan (6,5 cm).............................. 13
iii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1.
Sketsa Cup anemometer yang ”ideal” dan perhitungan panjang jari-jarinya ................... 15
2.
Tabel jumlah putaran yang diuji secara bersamaan ........................................................... 17
3.
Tabel jumlah putaran Cup anemometer (5,9 cm) yang diuji secara bersamaan................ 19
4.
Tabel data jumlah putaran pada 17 kecepatan yang berbeda............................................. 20
5.
Tabel data perhitungan putaran per detik ........................................................................... 28
6.
Tabel data putaran per jam dari setiap perlakuan............................................................... 29
7.
Salah satu contoh tabel jumlah putaran yang akan diolah dengan program Minitab........ 30
8.
Hasil uji t yang diolah dengan program Minitab................................................................ 31
1
I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Angin merupakan salah satu unsur meteorologi yang memiliki peranan penting dalam menentukan kondisi cuaca dan iklim disuatu tempat. Angin dapat dibatasi sebagai gerakan horizontal udara relatif terhadap permukaan bumi. Batasan ini berasumsi bahwa seluruh gerakan udara secara vertikal kecepatannya dapat diabaikan karena relatif rendah yaitu < 1 ms-1 (June, 1993). Untuk mendapatkan data pengukuran kecepatan angin yang akurat diperlukan suatu alat ukur yang dapat mencatat kecepatan maupun arah pergerakan angin secara akurat pula. Pengukuran kecepatan angin itu sendiri dapat dilakukan dengan beberapa metode, dimana setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Untuk itu dalam membuat suatu alat ukur kecepatan angin perlu dipertimbangkan untuk keperluan apa alat tersebut dibuat. Alat pengukur kecepatan angin yang umum digunakan pada stasiun pengamatan cuaca adalah anemometer jenis Cup counter yang menerapkan metode mekanik dalam pengukurannya. Untuk mendapatkan alat ini, stasiun pengamatan cuaca di Indonesia perlu mengimpor dari luar negeri, sehingga diperlukan biaya yang cukup mahal untuk memiliki alat ini. Sebagaimana kita ketahui bahwa prinsip kerja dari alat ini cukup sederhana yaitu Cup yang berjumlah tiga buah berputar pada suatu tiang yang dihubungkan dengan counter. Dengan mengetahui prinsip yang sederhana tersebut kita dapat mengembangkan alat ini, yaitu dengan cara membuat Cup counter anemometer dari bahanbahan yang mudah didapat dan terjangkau harganya akan tetapi dapat bekerja secara optimal. 1.2. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mencari desain dalam hal ini panjang jari-jari yang optimal dari anemometer jenis Cup yang dibuat dari bahan fibreglass dan belahan bola tenis meja (celluloid).
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Angin Angin adalah gerak nisbi terhadap permukaan bumi. Gerak atmosfer terhadap permukaan bumi ini memiliki dua arah yaitu arah horizontal dan arah vertikal. Kedua gerak
atmosfer ini disebabkan oleh ketidaksetimbangan radiasi bersih, kelembaban dan momentum di antara lintang rendah dan lintang tinggi di satu pihak dan di antara permukaan bumi dan atmosfer di pihak lain (Prawirowardoyo, 1996). Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi gerak atmosfer itu sendiri yaitu topografi, distribusi antara permukaan daratan dan lautan, serta arus laut. Gerak atmosfer yang umum adalah gerak horizontal, karena daerah yang diliputinya jauh lebih luas dan kecepatan horizontalnya jauh lebih besar daripada vertikalnya. Akan tetapi yang merupakan sumber pembentukan awan konvektif dan curahan yang berperan penting dalam menentukan cuaca dan iklim adalah gerak vertikal. Perubahan cuaca di atas permukaan bumi pada dasarnya adalah hasil dari gerak atmosfer atau gerak udara, yaitu gerak yang dihasilkan oleh berbagai gaya yang bekerja pada paket udara. Adapun gaya utama penggerak angin yaitu gaya gradien tekanan, yang timbul karena adanya perbedaan tekanan yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Sedangkan gaya-gaya sekunder yang mempengaruhi angin yaitu gaya Coriolis (yang timbul karena adanya rotasi bumi), gaya sentrifugal dan gaya gesekan. 2.2. Alat Pengukur Kecepatan Angin Tipe-tipe anemometer dapat diklasifikasikan berdasarkan metode pengukurannya yaitu tekanan, termoelektrik gelombang suara dan mekanik. Berikut ini akan diuraikan secara singkat jenis-jenis anemometer berdasarkan metode pengukurannya. Pitot tube adalah salah satu contoh anemometer yang prinsip kerjanya berdasarkan tekanan. Perbedaan tekanan diantara dua tube yang diumpamakan seperti hembusan udara ke dalam satu tube dan ditransfer ke tube lainnya secara langsung berhubungan dengan kecepatan angin. Sistem pitot tube merupakan sistem yang paling akurat dan umumnya digunakan sebagai standar untuk mengkalibrasi sensor kecepatan angin lainnya. Anemometer termoelektrik diwakili oleh tipe hot-wire. Anemometer jenis ini dapat digunakan dalam pengukuran kecepatan angin yang sangat lemah, seperti pada kanopi tanaman. Metode ini memanfaatkan suatu elemen kecil yang dipanasi secara elektrik. Pendinginan konvektif yang diakibatkan oleh angin yang melalui elemen tersebut digunakan sebagai fungsi dari kecepatan angin. Sonic anemometer adalah salah satu teknologi terbaru dari pengukuran kecepatan
2
angin, yang memanfaatkan kecepatan rambat suara yang dikirim melalui emitter menuju penerima. Suara akan merambat lebih cepat apabila searah dengan angin dan merambat lebih lambat apabila berlawanan dengan arah angin. Metode pengukuran kecepatan angin selanjutnya adalah secara mekanik. Anemometer jenis Cup adalah salah satu contoh alat yang prinsip kerjanya secara mekanik. Alat ini memberi tanggapan atas gaya dinamik yang berasal dari angin yang bekerja pada alat tersebut. Alat lain yang menggunakan metode ini dalam pengukuran kecepatan angin yaitu wind vanes, bivanes dan trivanes. Metode pengukuran secara mekanik merupakan metode yang paling sering digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Metode ini paling sederhana yaitu dengan memperhitungkan jelajah angin dari Cup yang berputar dan dapat mengukur kecepatan angin dari segala arah. 2.3. Cup Anemometer Pada tahun 1450, arsitek seni dari Italia bernama Leon Battista Alberti menemukan anemometer mekanik yang pertama. Instrumen tersebut terdiri dari piringan yang ditempatkan tegak lurus dengan angin. Cup anemometer yang masih digunakan sampai sekarang diciptakan pada tahun 1846 oleh peneliti dari Irlandia yang bernama John Thomas Romney Robins (http://en. wikipedia.org/wiki/anemo). Cup anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju angin dimana sensor laju anginnya terdiri atas tiga Cup yang dihubungkan oleh lengan yang ditempelkan pada as. Seluruh Cup menghadap ke satu arah melingkar sehingga bila angin bertiup maka rotor berputar pada arah tetap. Alat ini memberi tanggapan atas gaya dinamik yang berasal dari angin yang bekerja pada alat tersebut. Gaya dinamik angin pada permukaan cekung Cup lebih besar daripada permukaan cembung Cup. Perputaran sumbu sistem Cup dihubungkan secara mekanik atau elektronik dengan suatu alat yang dinamakan generator sinyal, untuk keperluan pencatatan. Generator sinyal ini berupa alat penghitung putaran. Anemometer yang akan digunakan sebagai kontrol pada penelitian ini adalah anemometer tipe AN 1 buatan Delta-T, Inggris. Mangkok rotornya terbuat dari plastik ABS yang kuat dan tahan cuaca (Delta-T devices). Konstruksi dari anemometer ini terbuat dari campuran alumunium, stainless steel dan plastik tahan cuaca untuk semua bagian yang terbuka. Bola-bola besi yang digunakan sebagai penopang kumparan rotor tangkainya
terbuat dari bahan yang tahan karat dan terlindung dari masuknya embun dan debu. Sehingga anemometer ini dapat ditempatkan pada tempat yang terbuka dan tahan terhadap cuaca yang cukup ekstrim. Spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut, kecepatan minimum yang dapat diukur alat ini yaitu 0,2 ms-1 dan kecepatan maksimum yang dapat diukur dari alat ini yaitu 75 ms-1. Kalibrasi alat ini yaitu 800 putaran per kilometer atau 1 pulsa per 1,25x10-3 kilometer. Dengan tinggi alat 200 mm dan diameter kotak 55 mm (Delta-T devices). Di bawah ini adalah gambar dari anemometer tipe AN 1 yang digunakan sebagai kontrol pada penelitian ini.
Gambar 1. Anemometer tipe AN1 sumber : Delta-T devices
2.4. Momen Inersia Benda yang mula-mula diam akan mempertahankan keadaan diamnya (malas bergerak) dan benda yang mula-mula bergerak akan mempertahankan keadaan geraknya atau malas berhenti (Kanginan, 2004). Sifat benda yang cenderung mempertahankan keadaan geraknya (diam atau bergerak) inilah yang disebut sebagai kelembaman atau inersia. Sehingga dapat didefinisikan bahwa momen inersia adalah ukuran resistansi atau kelembaman sebuah benda terhadap perubahan dalam gerak rotasi (Tippler, 1991). Momen inersia ini tergantung pada distribusi massa benda relatif terhadap sumbu rotasi benda. Momen inersia dari sebuah partikel bermassa m terhadap poros yang terletak sejauh r dari massa partikel didefinisikan sebagai hasil kali massa partikel terhadap kuadrat jarak dari titik poros, atau ditulis I = mr2 . r m poros Gambar 2. Momen inersia sebuah titik partikel terhadap poros
