PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA10

PENDAHULUANPengukuran aliran fluida sangat penting dari laju aliran darah di dalam pembuluh darah manusia sampai aliran oksigen cair dalam roket.Dalam hal tertentu pengukuran aliran fluida memerlukan ketepatan yang sangat tinggi, sedang dalam hal2 tertentu mungkin pengukuran kasar saja sudah memadai. Pada berbagai operasi industri, ketelitian pengukuran berhubungan langsung dengan laba perusahaan pompa bensin, meteran air.Cara pengukuran laju aliran tergantung pada jenis kuantitas aliran, yaitu padat, cair atau gas kasus padat, cocok untuk mengukur laju aliran massa (the rate of mass flow), sedangkan dalam kasus cair dan gas, dalam istilah laju aliran volume (the volume flow rate). Dalam beberapa kasus pengukuran laju penggunaan bahan bakar cair dalam sebuah roket, dimana perlu mengukur laju aliran massa cairan dan teknik-teknik khusus tersedia untuk ini.

Continue... PENDAHULUANLaju aliran massa benda padat dalam proses industri, biasanya benda padat dalam bentuk partikel-partikel kecil.Dimana M = massa material, L = perpindahan material dan v = kecepatan alat pembawa barang (conveyor). Laju aliran massa fluida biasanya ditentukan dengan pengukuran simultan dari laju aliran volume (debit, Q) yang melewati luas penampang (A) tertentu. Kelompok umum instrumen pengukuran aliran : Probe kecepatan : tabung PitotMeter rintangan : pelat orifis, nosel aliran, venturi, tabung aliran Dall, meter area variabel atau rotameterMeter elektromagnetikMeter turbinMetoda termal : Anemometer kawat dan film panasMeter perpindahan posistifMeter pancaran pusaranMeter Ultrasonik

TABUNG PITOTMerupakan intrumen penyisipan (insertion), yaitu dengan cara menyisipkan probe kecepatan ke dalam aliran yang diukur. Kecepatan aliran yang terukur merupakan kecepatan pada satu titik dari probe pengukuran titik (lokal). Diciptakan oleh insinyur Perancis (1732) Henri Pitot.Biasanya untuk aliran sementara, meskipun juga digunakan pada beberapa instansi untuk mengontrol/memonitor aliran permanen. Ujung yang terbuka akan membawa sedikit bagian fluida yang menyentuhnya, kehilangan energi kinetik dan akan diubah menjadi pertambahan ukuran dalam tekanan pada bagian dalam tabung.

Continue... TABUNG PITOTTekanan pada ujung tabung (titik S) disebut dengan tekanan macet (stagnasi), dimana alirannya diperlambat ke kecepatan nol.Tabung Piezometer digunakan untuk mengukur tekanan statik dan Tabung Pitot untuk tekanan total aliran. Dengan menerapkan persamaan Bernoulli, aliran inkompresibel akan didapatkan : , Vs = 0

Untuk aliran sebenarnya (nyata) :

Konstanta C adalah koefisien tabung Pitot yang merupakan faktor koreksi untuk keadaan nyata, karena tidak semua fluida pada bagian ujung tabung akan diam dimana ada bagian yang akan slip di sekelilingnya sesuai dengan desain tabung.

MODIFIKASI TABUNG PITOTPengukuran kecepatan membutuhkan keakuratan pengukuran tekanan statik. Kesalahan2 geometri kecil pada tap tekanan seperti sisi yang dibulatkan dapat menunjukkan kesalahan.Untuk memperkecil kesalahan modifikasi tabung Piezometer yaitu tipe cincin (ring).Keuntungan UMUM rugi2 tekanan dalam aliran dapat diabaikan, harga murah dan prosedur instalasi yang mudah. Kekurangan UMUM tabung harus dipasang searah dengan aliran, padahal arah aliran itu belum tentu diketahui (kesalahan p : 2 - 5%).Tabung Pitot yang lebih kompak, dirancang oleh Prandtl dengan nama tabung Pitot-statik.

METER RINTANGANPeranti ini sering disebut meter tinggi-tekan (head-meter) karena disini sebagai petunjuk tentang laju aliran digunakan pengukuran kehilangan-tinggi (head-loss) atau penurunan tekanan (pressure drop). Aliran inkompresibel (1 = 2 = ): Untuk laju aliran volumetrik :

Keunggulan : ketelitian tinggi, penurunan tekanan kecil, tapi mahal dari segi biaya.VENTURIAliran inkompresibel :

Aliran kompresibel :K = koefisien aliran = C.MM = faktor kecepatan masuk Y = faktor muai

NOSEL & ORIFISNosel dan orifis mempunyai penurunan tekanan permanen yang relatif tinggi tetapi orifis mempunyai biaya yang lebih murah.Laju aliran volume untuk aliran inkompresibel dan kompresibel sama dengan venturi, tapi dengan Y :

di vena kontraktaY2 dipakai jika pengambilan tekanan dari pipa (orifis).

NOSEL SONIK Untuk laju aliran cukup tinggi sehingga diferensial tekanan menjadi cukup besar kondisi aliran Sonik pada luas aliran minimum.Pada kondisi ini, aliran tercekik (choked) dan laju aliran mencapai maksimum pada kondisi masuk.Gas ideal : cp konstan, aliran tercekik :

Aliran ideal hanya bergantung pada kondisi stagnasi masuk p1, T1 biasanya mudah diukur.Metoda ini mengalami penurunan tekanan yang besar.

ROTAMETERRotatemeter disebut juga meter area variabel.Aliran masuk melalui bagian bawah tabung vertikal tirus (tapered) dan menyebabkan bob atau apung(float) bergerak ke atas.Bob naik sampai pada titik dimana gaya seret (drag force) seimbang dengan bobot gaya apung (buovancy).

Kesetimbangan gaya pada Bob :

Dengan gaya seret (Fd) :Dimana f dan b = kerapatan fluida dan Bob, VB = volume total Bob, Cd = koefisien seret, AB = luas frontal Bob, dan vm = kecepatan aliran rata2 dalam ruang anulus antara Bob dan tabung.

Continue... ROTAMETERKecepatan aliran :Dimana luas anulus A = /4 [(D + ay)2 d2] , dengan y jarak vertikal dari lubang masuk dan a adalah konstanta tirus tabung.

Dalam praktek, luas anulus hampir linier untuk dimensi tabung dan Bob :Koefisien seret bergantung pada angka Reynolds bacaan tak bergantung pada viskositas.Dengan konstruksi Bob khusus, rotameter dapat digunakan untuk mengkompensasi perubahan densitas fluida.C1 = konstanta meter

METER TURBINFluida yang mengalir menyebabkan roda turbin kecil berputar bersama roda.Sebuah pemungut reluktans (reluctance pickup) yang terpasang pada bagian atas meter mendeteksi setiap putaran roda turbin.Aliran volumetrik sebanding dengan jumlah putaran roda, maka keluaran pulsa total akan memberikan petunjuk tentang aliran total. Laju aliran volumetrik :f = frekuensi pulsaK = koefisien aliran

Koefisien aliran bergantung pada laju aliran dan viskositas kinematik () fluida.

AMEMOMETERAnemometer : kawat panas (hot wire) dan selaput panas (hot film).Anemometer kawat-panas banyak digunakan dalam penelitian untuk mempelajari aliran yang berubah cepat. Anemometer kawat panas terdiri dari kawat halus yang dipanaskan dengan arus listrik dan dikenakan pada aliran yang akan diukur. Kawat mencapai temperatur keseimbangan sewaktu kalor yang dibangkitkan sama dengan kerugian kalor konveksi dari permukaannya.

King menunjukkan laju perpindahan panas dari kawat :Tw, Tf = temperatur kawat & fluidaC0,C1 = konstanta dari kalibrasiJuga : = koefisien temperatur tahananRo = tahanan kawat pada temperatur rujukan To

RANGKAIAN ANEMOMETERArus ditentukan dengan mengukur penurunan tegangan melintas tahanan standar Rs, dan tahanan kawat ditentukan dari rangkaian jembatan.Probe kawat panas banyak digunakan untuk pengukuran aliran transien, lebih-lebih pengukuran fluktuasi.Konstanta waktu sebesar 1 ms bisa didapatkan dengan kawat platina atau wolfram (tungsten) dengan d = 0,0001 in = 2,54 m, beroperasi dalam udara.Selaput platina dilapisi kuarsa untuk mengukur fluida kental seperti air.

RESPON TRANSIEN ANEMOMETERBila kawat panas digunakan untuk pengukuran pola aliran yang berubah cepat, respons transien daripada tahanan termal dan tahanan listrik kawat itu harus diperhitungkan semuanya. Ada dua jenis kompensasi listrik yang digunakan dalam praktek : 1). Susunan arus tetap, dimana suatu tahanan besar dihubungkan secara seri dengan kawat panas itu, dan rangkaian kompensasi termal dihubungkan dengan tegangan arus bolak-balik keluaran.2). Susunan temperatur tetap, dimana rangkaian kendali arus bolak-balik ditambahkan untuk mengubah2 arus temperatur kawat hampir konstan. Respons kawat bergantung pada sudut yang dibuat kecepatan aliran dengan poros kawat, dan untuk memperhitungkan efek ini sudah ada teknik2 yang dikembangkan.Rasio panjang dan diameter kawat (L/d) penting pula pengaruhnya pada prestasi kerja pengukuran. L/d mempunyai nilai kira2 50 untuk kawat panas.

*************