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 10uF RV1 10k C2 1KpF 1N 4002 positif (+) 1 2 negatif (-) DC 12V R 12k 8 3 Q 7 DC VCC NE555 4 R 6 TH GND 1 5 2 TR CV 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 s t 0 = dengan persamaan 2.12 c sehingga didapatkan persamaan seperti persamaan 3.4 c v = t ( t t ) 1 0 1 cosφ Dengan t 0 adalah waktu tempuh gelombang ultrasonik saat tidak ada aliran bahan dan t 1 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. R9 D5 C6 47uF RV 10k Transducer R1 100k C1 1uF R2 10k Q1 FCS 9014 R3 100 R4 3k9 Q2 FCS 9014 R5 680 C2 10KpF D1 1N 4148 D2 1N 4148 D4 ZD7,5V R6 1k C3 10KpF R7 1k D3 1N 4148 Q3 FCS 9014 1k R8 10k C4 220uF D6 1N 4148 C5 10uF 1N 4002 RL1 6V Q4 FCS 9014 positif (+) 1 2 negatif (-) DC 12V (a)
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA 43 (b) (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 44 5.2 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 (t 1 ) dengan waktu saat receiver mulai menerima sinyal dari transmitter (t 2 ). 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 128,125 σ 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) 19,69 Σ 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 0,6 m t 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 t. Dengan distribusi Gauss dan cdf didapatkan kecepatan aliran air (v) pada ketinggian masing-masing ketinggian sebagai berikut. H (m) v (m/s) 0,5 2,77 1,5 4,71 2,5 7,08 Dari data di atas dapat dilihat bahwa ketinggian jatuhnya air mempengaruhi kecepatan aliran.
BAB V PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA 48 2. 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 Transmitter 60 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) t1 (us) v (m/s) 0,5 19,68 2,63 1,5 19,66 4,70 2,5 19,64 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 2,5 Tinggi (h) 2 1,5 1 non ultrasonik ultrasonik 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, vnon ultrasonik vultrasonik Δ = x100%... (4.1) v non ultrasonik 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.