Kata kunci : laju aliran udara, tabung venturi dan fiber coupler.

Transkripsi

1 Pemanfaatan Fiber Coupler Dan Tabung Venturi Untuk Mengukur Laju Aliran Udara Syamsudin, Samian, Pujiyanto. Departemen Fisika, Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Kampus C Unair Jl. Mulyorejo, Surabaya Az_Syams@Yahoo.Com Abstrak Pengukuran laju aliran udara telah berhasil dilakukan dengan memanfaatkan fiber coupler dan tabung venturi. Mekanisme kerja sistem pengukuran didasarkan atas prinsip kontinuitas dan prinsip bernaulli untuk fluida udara dalam tabung venturi. Pengukuran dilakukan melalui deteksi tekanan aliran udara pada masing-masing bagian inlet tabung venturi yang diberi membran. Deteksi tekanan dilakukan dengan mengukur perubahan intensitas cahaya pantulan dari membran yang diterima oleh kanal sensing fiber coupler. Dengan demikian tekanan direpresentasikan melalui tegangan keluaran detektor optis. Pengukuran dilakukan dengan menghitung selisih tekanan pada kedua bagian inlet tabung venturi. Hasil pengukuran laju aliran udara melalui tabung venturi berbasis fiber coupler terhadap laju aliran udara menggunakan anemometer diperoleh persamaan v v = 8,424v a 4,366. Kata kunci : laju aliran udara, tabung venturi dan fiber coupler.

2 1. Pendahuluan Aplikasi serat optik sebagai sensor dibidang industri telah berkembang sangat pesat seiring dengan kebutuhan pengukuran dengan tingkat akurasi dan resolusi yang tinggi, aplikasi serat optik juga memiliki banyak keunggulan antara lain tidak kontak langsung dengan obyek, akurasi pengukuran yang tinggi, kebal terhadap induksi listrik maupun magnet, dapat dimonitor dari jarak jauh, dapat dihubungkan dengan sistem komunikasi data serta dimensinya yang kecil dan ringan memudahkan dalam penginstalannya. Prinsip kerja dari serat optik sebagai sensor berbasis pada modulasi intensitas, modulasi panjang gelombang dan modulasi fase cahaya (Krohn, 2000). Salah satu yang telah dikembangkan adalah aplikasi serat optik sebagai sensor pergeseran dengan berbagai teknik dan konfigurasi. Teknik transmisi digunakan untuk mendeteksi rugi kopling daya optis pada dua ujung serat optik yang bergeser (Svyryd et al., 2006), sedangkan teknik refleksi digunakan untuk mendeteksi rugi kopling daya optis pada serat optik akibat pantulan dari obyek yeng bergeser. Konfigurasi serat optik sebagai sensor yang digunakan pada teknik refleksi antara lain multimode fiber coupler (Samian et al, 2009), a pair multimode bundled fiber (M. Yasin et al., 2007) dan singlemode concentric bundled fiber (A. Rostami et al., 2007). Laju aliran fluida dapat diukur menggunakan prinsip mekanik yaitu menggunakan turbin untuk mengukur kecepatan laju zat cair serta kincir untuk mengukur kecepatan angin. Selain itu, telah dikembangkan kombinasi prinsip mekanik dan optik untuk mengukur laju zat cair, dengan memanfaatkan tabung venturi dan serat optik, sensor laju aliran fluida cair tersebut dilakukan dengan memanfaatkan perubahan tekanan akibat laju aliran air yang dialirkan dalam tabung venturi (Sandy Bella, 2011). Dalam penelitian ini memanfaatkan tabung venturi dan fiber coupler untuk mengukur laju aliran udara, dengan menggunakan metode penentuan perbedaan tekanan. Perbedaan tekanan diperoleh dengan memanfaatkan bahan elastis sebagai penutup (membran) dua leher tabung venturi. Laju aliran udara yang dialirkan dalam tabung venturi akan memberikan tekanan pada penutup dua leher tabung venturi, karena adanya tekanan yang diberikan pada penutup leher tabung

3 venturi yang bersifat elastis maka membran tersebut akan menggelembung. Dari mencembungnya membran tersebut dimanfaatkan sebagai komponen sensor pergeseran berbasis modulasi intensitas. 2. Mekanisme kerja alat ukur laju aliran udara Desain alat ukur laju aliran udara dari tabung venturi berbasis fiber coupler diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Desain velocimeter menggunakan tabung venturi dan fiber coupler Cahaya laser He-Ne 632 ke arah fiber coupler, sehingga pada saat laser He-Ne dinyalakan cahaya laser bisa masuk ke dalam fiber coupler lewat input port dan keluar dari fiber coupler lewat sensing port. Cahaya yang keluar akan ditransmisikan menuju membran pada inlet 1 dan inlet 2 tabung venturimeter. Cahaya yang mengenai membran akan dipantulkan kembali ke sensing port. Berkas cahaya yang dipandu oleh fiber optik menuju detektor optis akan ditampilkan secara digital oleh mikrovoltmeter. Tekanan yang diberikan fluida gas (udara) terhadap membran mengakibatkan membran menjadi cembung. Semakin cembungnya membran, jarak antara membran dengan sensing port semakin dekat sehingga hamburan cahaya yang masuk dalam sensing port semakin kecil. Maka semakin besar pula nilai sinyal optis yang ditangkap oleh detektor. keluaran hasil deteksi tekanan oleh fiber coupler berupa tegangan keluaran detektor, maka perlu dilakukan konversi nilai tegangan keluaran detektor

4 ke tekanan udara. Konversi nilai tekanan udara ke tegangan keluaran detektor dapat dilakukan dengan metode regresi linier, plot data hasil tegangan keluaran detektor 1 dan detektor 2 terhadap perubahan tekanan. Fluida yang mengalir melalui perbedaan luas penampang maka besar laju aliran fluida juga berbeda dimasing-masing penampang tersebut, prinsip tersebut dikenal sebagai prinsip kontinouitas dan persamaannya dituliskan sebagai berikut: v 1 A 1 = v 2 A 2. (1) Dengan A 1 dan A 2 berturut turut adalah luas penampang besar tabung venturi (leher 1) dan luas penampang kecil tabung venturi (leher 2). Sedangkan ʋ 1 dan ʋ 2 masing-masing adalah kecepatan aliran udara di leher 1 dan kecepatan aliran udara di leher 2. Menurut hukum bernaulli, hubungan antara tekanan dan kecepatan fluida pada pipa dengan penampang yang berbeda pada ketinggian yang sama dituliskan dengan persamaan berikut : p 1 + ½ v 1 2 = p 2 + ½ v 2 2. (2) Dengan P 1, P 2 dan ρ masing-masing adalah tekanan di leher 1, tekanan dileher 2 dan massa jenis fluida. Persamaan (1) disubtitusikan ke persamaan (2) maka didapatkan persamaan laju aliran fluida sebagai berikut: (3) 3. Eksperimen Set-up eksperimen diperlihatkan pada Gambar 2. Set-up eksperimen terdiri dari 2 buah laser He-Ne (1 mw), 2 buah detektor OPT 101, 2 buah fiber coupler, 2 buah mikrovolt meter, 1 buah tabung venturi ukuran diameter di leher1 8 mm dan di leher2 6 mm, 1 buah kompressor, 1 buah tabung udara, 1 buah anemometer dan 2 buah membran. Eksperimen dilakukan dengan mencatat tegangan keluaran

5 detektor yang terbaca pada mikrovoltmeter setiap perubahan mencembungnya membran akibat tekanan udara yang melalui tabung venturi. Prosedur eksperimen tersebut dilakukan dengan 2 tahap, tahap pertama yaitu konversi tegangan keluaran detektor optis yang berupa data tegangan keluaran detektor optissebagai fungsi tekanan pada saat tabung venturi tertutup dan tahap kedua dilakukan dengan ujung tabung venturi dalam keadaan terbuka dan ujung tabung venturi dihubungkan dengan anemometer. Data yang diperoleh berupa data tegangan keluaran detektor optis sebagai representasi tekanan pada membran di inlet 1 dan inlet 2 saat ada aliran udara. Kecepatan aliran udara diukur menggunakan anemometer. Gambar 2 set-up alat penelitian 4. Hasil dan pembahasan Hasil eksperimen pada tahap pertama didapatkan plot grafik data tegangan keluaran detektor optis sebagai fungsi tekanan fluida gas yang dialami oleh kedua membran pada inlet 1 dan inlet 2 pada saat tabung venturi tertutup pada gambar 3.

6 Gambar 3. Grafik hubungan tegangan keluaran detektor optis dari inlet 1 dan inlet 2 tabung venturi saat tertutup terhadap tekanan udara. Pada grafik hubungan antara tegangan keluaran detektor optis terhadap tekanan pada membran masing-masing di inlet 1 dan inlet 2 dicari daerah yang diduga linier. Daerah yang diduga liner tersebut kemudian diuji menggunakan uji regresi linier. Hasil yang diperoleh diperlihatkan pada gambar 4 dan 5 masing- masing untuk inlet 1 dan inlet 2. Gambar 4. Grafik regresi linier hubungan tegangan keluaran detektor optis dari inlet 1 tabung venturi saat tertutup terhadap tekanan udara.

7 Gambar 5. Grafik regresi linier hubungan tegangan keluaran detektor optis dari inlet 1 tabung venturi saat tertutup terhadap tekanan udara. Pada grafik Gambar 4 dan 5 hasil regresi linier diperoleh nilai koefisien kolerasi masing-masing mendekati 1. Dengan demikian hubungan antara tegangan keluaran terhadap tekanan udara pada membran di inlet 1 dan inlet 2 dikatakan linier. Hasil dari regresi linier pada gambar 4 dan gambar 5 merupakan persamaan konversi, namun persamaan konversi di masing-masing inlet tersebut ditambah dengan faktor koreksi karena dalam eksperimen masih terdapat selisih tingkat kecembungan membran. Hal ini terjadi, diduga pada saat eksperimen masih ada selisih regangan saat pemasangan membran di inlet 1 dan 2. Sebagai akibatnya dalam percobaan ini nilai tegangan keluaran detektor optis 1 dan 2 masih ada selisih antara keduanya untuk mendapatkan nilai tekanan yang sama di masing-masing inlet 1 dan 2 serta untuk mendapatkan nilai tekanan nol pada saat tabung venturi tidak ada aliran. Persamaan konversi tersebut digunakan untuk mengkonversi tegangan keluaran detektor optis menjadi tekanan untuk membran di inlet 1 dan inlet 2 pada saat pengukuran laju aliran udara. Pada eksperimen tahap kedua yaitu ketika ujung tabung venturi dalam keadaan terbuka dan ujung tabung venturi dihubungkan dengan anemometer. Data tegangan detektor optis yang diperoleh dapat dikonversikan menjadi tekanan yang dialami oleh kedua membran. Dengan diperolehnya tekanan pada leher 1 dan

8 leher 2 maka dengan menggunakan hukum bernaulli diperoleh kecepatan laju aliran udara (ʋ 1 ). Nilai tersebut akan dibandingkan dengan hasil laju aliran udara yang terukur dari anemometer. Grafik hubungan hasil laju aliran udara menggunakan tabung venturi terhadap laju aliran menggunakan anemometer diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 6. Grafik perbandingan antara laju aliran udara menggunakan tabung venturi dengan laju aliran udara menggunakan anemometer Dari Gambar 6 didapatkan persamaan ʋ v = 8,424 ʋ a 4,366. Persamaan tersebut digunakan untuk memperoleh nilai laju aliran udara menggunakan tabung venturi berbasis fiber coupler. 5. Kesimpulan Dengan memanfaatkan prinsip fiber coupler dan hukum bernaulli pada tabung venturi pada prinsipnya dapat digunakan untuk mengukur laju aliran udara. Hal ini ditunjukkan oleh kemampuan pembacaan perubahan detektor optis terhadap perubahan kecembungan pada masing-masing membran di inlet 1 dan 2. Hasil pengukuran laju aliran udara melalui tabung venturi berbasis fiber coupler terhadap laju aliran udara menggunakan anemometer diperoleh persamaan ʋ v = 8,424 ʋ a 4,366.

9 6. Daftar Pustaka Alonso M. dan Finn E.J., 1994, Dasar - Dasar Fisika Universitas, Jilid 1, 2 nd ed, Erlangga, Jakarta. Frade, Jacob, 2003, Handbook of Modern Sensor. Physics, Design and Application. Springer, 3 rd ed, AIP Press, San Diego. Sardjito., 2000, Fisika Terapan Untuk Politeknik Fluida dan Termofisika. Bandung. Bella, Sandy Marquarius., 2012, Aplikasi Multimode Fiber Coupler Dan Tabung Venturi Sebagai Sensor Laju Aliran Fluida, Skripsi S-1, Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Airlangga, Surabaya. Halliday, D., and Resnick, R., 1996, Fisika, Jilid I, Jakarta:Erlangga. Keiser, G., 1991, Optikal Fiber Communication, Mc Graw Hill, New York. M. Yasin., Harun, W.S., Abdul Rasyid, H.A., Kusminarto, Karyono dan H.Ahmad, 2007, The Performance of a Fiber Optic Displacement Sensor for Different Types of Probe and Target, Laser Physics, Vol. 10, No. 1002, hal 1-4. Prabowo, Hermawan., 2012, Studi Awal Aplikasi Multimode Fiber Coupler sebagai Sensor Tekanan Gas, Skripsi S-1, Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Airlangga, Surabaya. Decusatis, Casimer,. 2006, Fiber Optic Essentials, AIP Press, San Diego. Samian, Yono Hadi Pramono, Ali Yunus Rohedi dan Gatot Yudoyono, Fabrikasi Fiber Coupler Serat Optik Multimode, Surabaya juni, Samian, Yono Hadi Pramono, Ali Yunus Rohedi, Aplikasi Directional Coupler Serat Optik Sebagai Sensor Pergeseran, Surabaya. Juni, Samian, Yono Hadi Pramono, Ali Yunus Rohedi, Febdian Rusydi, A.H. Zaidan (2009), Theoretical and Experimental Study of Fiber-Optic Displacement Sensor Using Multimode Fiber Coupler,, Journal of Optoelectronics and Biomedical Materials, Vol. 1, Issue 3,