PENGEMBANGAN MANOMETER DIGITAL Fariduzzaman * ABSTRAK PENGEMBANGAN MANOMETER DIGITAL. Manometer adalah suatu alat untuk mengukur tekanan pada suatu lokasi yang ditentukan dalam fluida. Alat ini mendeteksi tekanan differensial antara lokasi yang diukur dengan tekanan rujukan. Indikator untuk manometer konvensional adalah cairan dalam tabung U, sedangkan manometer digital menunjukkan datanya secara digital berdasarkan sistem yang terdiri dari hardware dan software. Makalah berikut akan menjelaskan konsep perancangan, konstruksi dan integrasi hardware dan software dalam membuat manometer digital tersebut. Sistem ini dikembangkan dengan produk National Instrument (NI) yang didukung oleh software pemrograman visual LabView 7.1, dalam lingkungan Windows XP. Kata-kata kunci: sistem tekanan, pemrograman visual, uji terowongan angin ABSTRACT DIGITAL MANOMETER DEVELOPMENT. Manometer is a device to measure the pressure at a certain location in a fluid. It detects the differential pressure between the measured location and a pressure reference. The indicator of a conventional manometer is liquid level in a U-tube, whereas the digital manometer indicates the digital base on data system, which built by hardware and software. The following paper will describe the concept of design, the construction, and the integration of hardware and software to make the digital manometer. The system was developed using National Instrument products which is driven by a visual programming software, LabView 7.1 in Windows XP platform. Keywords: pressure system, visual programming, wind tunnel test PENDAHULUAN Tekanan udara adalah parameter fisik paling penting dari uji terowongan angin, dari parameter inilah kecepatan angin di seksi uji dapat diketahui, bahkan gaya dan momen aerodinamika model yang diuji. Konsep pengukuran tekanan yang paling dasar diterapkan dalam cara kerja manometer. Karena itu di lingkungan aerodinamika eksperimental, manometer sangat dikenal sebagai dasar dari semua sistem pengukuran tekanan [1]. * UPT-LAGG BPPT, PUSPIPTEK-Serpong, Tangerang-15314, INDONESIA, faridz@webmail.bppt.go.id 199
Manometer juga dapat digunakan dalam cairan. Misalnya untuk mengukur distribusi tekanan aliran di sekitar belakang pipa silinder dalam heat-exchanger atau pipa-pipa reaktor nuklir. Dalam pengukuran distribusi tekanan suatu medan aliran, jumlah manometer yang diperlukan akan banyak. Karena itu manometer disusun sebagai deretan tabung (array) yang disebut dengan multi-manometer. Gambar 1 menunjukkan contoh aplikasi fisik penggunaan multi-manometer dalam fluida udara dan cairan. Dari distribusi tekanan aliran dibelakang silinder maka dapat diekstraksi distribusi kecepatan aliran dan gaya aerodinamika seperti drag pipa. Gambar 1. Tekanan dibelakang pipa silinder bulat menghasilkan distribusi kecepatan, drag dan lift Alat ukur distribusi tekanan (probe) terdiri dari sederetan (array) pipa-pipa lubang tekanan yang diatur sedemikian sehingga jumlahnya memadai untuk mengukur satu bidang medan aliran. Lihat Gambar 2. Gambar 2. Alat untuk mengukur distribusi tekanan, dihubungkan dengan manometer 200
Setiap lubang tekanan terhubung dengan satu pipa manometer dalam multimanometer. Jika masing-masing pipa manometer disusun secara teratur, maka pola distribusi tekanan dapat langsung diketahui dari multi-manometer tersebut. Pada dasarnya satu manometer bekerja berdasarkan perbedaan tekanan dari dua ujung lengan tabung U, dimana dalam tabung telah diisi cairan, biasanya air atau air raksa. Jika kedua ujung lengan tabung terhubung ke udara luar (atmosfir), maka permukaan cairan akan sama karena kedua tekanannya sama. Jika kedua lengan terhubung dengan udara yang tekanannya berbeda, maka pada ujung yang tekanannya rendah permukaan cairan akan lebih tinggi dari ujung yang tekanannya tinggi. Dengan kata lain ujung bertekanan tinggi akan menekan cairan menuju ujung bertekanan rendah. Perbedaan ketinggian cairan di kedua lengan pipa U akan berbanding lurus dengan perbedaan tekanan antara 2 ujung tersebut. Namun manometer konvensional seperti ini masih memiliki beberapa kekurangan, antara lain: - Respon yang lambat; - Mudah terjadi kesalahan paralax, karena permukaan cairan tidak selalu rata; - Jika pipanya terlalu kecil akan terjadi efek kapilaritas akibat tegangan permukaan, karena itu harus dikoreksi; - Untuk pengolahan dan analysis data yang terukur harus dicatat secara manual dan baru setelah itu disalin ke komputer. Maka sebagai solusi dari masalah ini dikembangkanlah manometer digital, yakni suatu sistem hardware dan software yang bekerja seperti manometer tabung dengan beberapa kelebihan: - Respon cepat bahkan dapat mendekati realtime (< 500 msec.); - Tampilan data dapat diberikan secara numerik dan grafik di layar komputer, tanpa kesalahan paralax atau efek kapilaritas; - Hasil pengukuran dalam besaran fisika (Pa., Psi, atm, bar atau mmhg), dapat langsung disimpan di media penyimpan komputer; - Jika dilengkapi software pengolah data, maka hasil akhir dari analysis dapat pula ditampilkan, yakni dalam bentuk parameter aerodinamika. DASAR TEORI Jika atmosfir bumi dapat dianggap sebagai fluida yang statik, maka di atmosfir bumi yang terbuka bekerja suatu tekanan udara yang disebut sebagai tekanan atmosfir (disebut pula tekanan barometrik), P atm. Nilai tekanan ini dapat diukur dengan suatu alat yang disebut Barometer. 201
Nilai P atm di permukaan laut (sea level) dijadikan sebagai standard untuk tekanan barometrik. Selanjutnya P atm tersebut akan bervariasi terhadap ketinggian dari permukaan laut. Pada permukaan laut nilai P atm telah disepakati sebesar 1 atm yang setara dengan 101.3 kn/m2 = 101.3 kpa. Sedangkan dalam suatu fluida tertutup bekerja tekanan lokal yang tekanan totalnya terdiri atas komponen tekanan statik (s) dan tekanan dinamik (q) [1]. P t = s + q (Pa) (1) Secara fisik tekanan total P t dapat diukur dengan membuat suatu probe yang penampang lubang tekanannya tegak lurus arah datang angin. Sedangkan tekanan statik s dapat diukur dengan membuat suatu probe yang penampang lubang tekannya tangensial terhadap arah aliran fluida. Lihat Gambar 1. Apabila suatu tabung U yang berisi cairan m, satu ujungnya terhubung dengan sumber tekanan-1 dan ujung lainnya dengan sumber tekanan-2, maka perbedaan tekanan diantara 2 ujung tersebut ( p) berbanding lurus dengan tinggi cairan yang dipindahkan, h, [2]. p = p 1 p 2 (Pa) (2) p = γ m. g. h (Pa) (3) di mana, γ m : rapat jenis cairan isi tabung-u g : percepatan gravitasi bumi h : perbedaan ketinggian permukaan cairan dalam tabung U Secara praktis, sumber tekanan-1 biasanya terhubung dengan tekanan-rujukan (p r ) atau tekanan udara atmosfir (P atm ). 202
Gambar 3. Manometer Tabung-U Untuk saluran terbuka, P atm atau p r biasanya lebih besar dari p 2. Sehingga apabila ada lebih dari satu posisi P 2 yang diukur, maka tekanan di posisi ke-i adalah, p i = p p (Pa) (4) r Dengan demikian dapat dibuat suatu alat yang dikenal dengan multimanometer, yakni alat ukur tekanan yang terdiri dari sejumlah manometer yang disusun sebagai array. Alat ini berguna dalam mengukur distribusi tekanan permukaan model atau distribusi tekanan medan aliran. Dimana distribusi tekanan ini selanjutnya dapat dikonversi ke besaran gaya atau momen aerodinamika. Gambar 4. Multimanometer 203
SISTEM HARDWARE Konsep kerja manometer digital tak jauh berbeda dengan multimanometer, dimana setiap manometer tabung akan setara dengan satu kanal dalam sistem pengukuran elektronik, dalam hal ini sensor tekanan tidak lagi cairan namun transducer. Transduser tekanan bekerja berdasarkan prinsip jembatan wheatstone, dengan membran dan kristal piezoelektrik di dalamnya. Jadi untuk transducer selalu dibutuhkan sumber tegangan luar agar dapat bekerja aktif. Gambar 5. Sistem Hardware Data yang dihasilkan transducer adalah besaran analog dalam bentuk tegangan (volt), yang selanjutnya perlu dikondisikan oleh perangkat instrument pengkondisiansinyal (conditioning unit, CU) dengan memberikan gain, filter atau offset, sehingga data analog ini menjadi sesuai untuk diterima oleh perangkat digitisasi (Analog to Digital Converter, ADC). Pada sistem yang kini dikembangkan oleh LAGG, digunakan transducer tekanan jenis gauge merek RS, dimana tekanan atmosfir lokal dijadikan sebagai rujukannya. Sistem ini disusun untuk mengukur sumber tekanan sebanyak 16 kanal. Unit pengkondisian sinyal adalah NI SCXI-1000 bersama modul NI SCXI-1102 yang memiliki 32 kanal analog input, serta DA controllernya NI PCI-6221 yang dilengkapi ADC resolusi 16 bit. 204
SISTEM SOFTWARE Agar sistem manometer digital bekerja dengan akurat dan terkendali, maka di dalam komputer PC digunakan software pengendali DA (Data Acquisition) yang dikembangkan menggunakan LabView 7.1, yakni sebuah pemrograman visual dari National Instrument [3], [4], [5]. Antar muka yang mudah difahami dan sederhana adalah konsep dasar dari pengembangan Manometer Digital ini. Tampak bahwa data yang diperoleh dapat ditampilkan sebagai data numerik dan data grafik berupa bar vertikal. Untuk menjalankan sistem cukup klik di tanda-panah dan untuk menghentikannya dengan tombol stop. Tingkat kompatibiltas software juga tinggi, karena data numerik yang diperoleh dalam satu titik data (sesi) pengukuran dapat langsung disimpan ke file format EXCEL dengan tombol ok. Seperti halnya perangkat elektronik yang banyak digunakan dalam sistem instrumentasi, sebelum digunakan, pada manometer digital ini harus dilakukan dahulu proses kalibrasi. Semua setting parameter maupun konfigurasi yang digunakan dalam kalibrasi harus sama antara waktu kalibrasi dengan waktu pengukuran. Proses kalibrasi dilakukan dengan dua peralatan. Pertama dilakukan kalibrasi dengan tabung manometer yang konvensional dan kedua dengan micromanometer electronic dari AIRFLOW PVM100 yang memiliki resolusi P=1 Pa. Dengan demikian jika digunakan kalibrator AIRFLOW maka ketelitian manometer akan setara dengan kalibrator yakni 1% dari data terukur. Untuk penggunaan operasional laboratorium digunakan kalibrator dari manometer konvensional, maka ketelitiannya dapat diturunkan dari resolusi manometer tabung yang h =0.5mm atau setara dengan P=4.9 Pa. Jadi, Ketelitian: P x100% P FS (5) Tekanan full-scale (P FS ) adalah sebanding dengan maksimum kecepatan di seksi uji 45 m/s atau 1215 Pa. Jadi ketelitian manometer: 4.9 x 100% = 0.4% 1215 205
Gambar 6. Block Diagram LabView Gambar 7. Tampilan Digital Manometer 206
Dengan demikian prosedur kalibrasi ini dapat memperkecil kemungkinan terjadinya kesalahan pada saat pengukuran. Gambar 8. Pop Up Menu Untuk Kalibrasi Gambar 9. Perekaman Data Property Kalibrasi 207
Sistem kalibrasi disusun sedemikian sehingga setiap kanal dapat dijaga akurasinya, begitupula ketertelusuranya (traceability) dengan menyertakan informasi tanggal dan operator yang melakukan kalibrasi termasuk komentar lainnya yang diperlukan. KESIMPULAN Dengan fasilitas hardware dan software yang tersedia di pasaran lokal, maka telah berhasil dibuat suatu sistem perangkat hardware dan software yang disebut dengan Digital Manometer. Alat ini terbukti mampu meningkatkan effisiensi pengukuran dalam suatu pengujian terowongan angin. Kesalahan paralax dapat dihindari, pengukuran yang memakan waktu lama dapat dipercepat, tampilan yang praktis dan mempercepat proses analisis. Hal ini juga dipermudah dengan adanya kemampuan menyimpan data ke dalam file format EXCEL. Konsep manometer digital dapat juga diterapkan untuk aplikasi yang lebih luas daripada aplikasi terowongan angin, baik fluida gas maupun fluida cairan. Misalnya sebagai alat ukur dalam riset perancangan pipa-pipa heat-exchanger, pipa-pipa reaktor nuklir, pipa pengeboran minyak di laut, kabel bawah laut dan sebagainya. Secara komersial sistem ini cukup murah. Komponen termahal dari versi saat ini adalah unit SCXI dan software LabView, karena itu di masa datang komponen tersebut dapat diturunkan nilainya menggunakan Compact DAQ dari National Instrument atau menggunakan sistem hardware dan software non National Instrument. DAFTAR PUSTAKA 1. GANZER, U., Experimental Techniques in Aerodynamics, Technical University Berlin, 1984. 2. GOLDSTEIN, R.J. (1983), Fluid Mechanics Measurements, Hemisphere Publishing Corp., Washington, 1983. 3. LabView 7 Express User Manual (2003), National Instruments, Austin-Texas 4. LabView 7 Express Measurement Manual (2003), National Instruments, Austin- Texas 5. LabView 7 Express Development Guidelines (2003), National Instruments, Austin-Texas 208
DISKUSI DARMAWAN 1. Apakah ada batasan berapa besar tekanan yang dapat dideteksi? 2. Apakah alat ini sudah dapat digunakan untuk terowongan yang besar (terowongan tambang) artinya tidak hanya terowongan angin yang saya bayangkan terowongan kecilnya? 3. Tolong beri kami referensi yang dapat kami hubungi FARIDUZZAMAN 1. Dibatasi jenis/produk transducer dan rujukannya. 2. Dapat digunakan untuk terowongan besar maupun kecil. 3. Kontak Person : Fariduzzaman, UPT-LAGG, BPPT DAFTAR RIWAYAT HIDUP 1. Nama : Fariduzzaman 2. Tempat/Tanggal Lahir : Cianjur, 17 Mei 1961 3. Instansi : UPT-LAGG, BPPT 4. Pekerjaan / Jabatan : Peneliti 5. Riwayat Pendidikan : 1986, S1 Fisika-ITB 1990, S2 Software Technology-THAMES POLY, UK S2 Teknik Penerbangan-ITB 6. Pengalaman Kerja : 1986-1999,Data Processing Engineer ILST-BPPT 1999, Ka. Sub Bid Informatika-Elektronika, LAGG 2004-Sekarang,Industrial Aerodynamic Specialist 209