INSTRUMENTASI ULTRASONIK PENGUKURAN RAPAT MASSA Menggunakan analisis amplituda (faktor refleksi dan faktor transmisi) Soal No. 1 Perangkat ultrasonik yang digunakan untuk mengukur rapat massa suatu cairan biasanya menggunakan dua buah transduser yang masing-masing di depannya dipasang batang penyangga dengan panjang tertentu dan terbuat dari bahan yang mempunyai atenuasi yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Transduser yang satu bertindak sebagai pemancar sedangkan yang lain bertindak sebagai penerima gelombang akustik. Kedua transduser beserta batang penyangganya ini dicelupkan ke dalammcairan yang akan diukur rapat massanya dimana ujung-ujung kedua batang penyangga berjarak 2 cm. Dari hasil pengamatan diperoleh tegangan pulsa pertama besarnya adalah 80 mV, tegangan pulsa kedua besarnya 52,2 mV sedangkan selang waktu antara kedua pulsa ini adalah 26 S. Bila batang penyangga terbuat dari bahan kuarsa dengan impedansi akustik sebesar 15,1 Mrayls, hitung rapat massa cairan. Abaikan atenuasi di dalam cairan dan atenuasi akibat penyebaran gelombang. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation cairan A d Ao A Z3 B t Z1 B T Z2 R Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation Soal No. 2 Perangkat ultrasonik yang digunakan untuk mengukur rapat massa suatu cairan biasanya menggunakan dua buah transduser yang masing-masing di depannya dipasang batang penyangga dengan panjang tertentu dan terbuat dari bahan yang atenuasinya dapat diabaikan. Transduser yang satu bertindak sebagai pemancar sedangkan yang lain bertindak sebagai penerima. Kedua transduser dan batang penyangga ini dicelupkan ke dalam cairan yang akan diukur rapat massanya dimana ujung-ujung kedua batang penyangga berjarak 1 cm. Dari hasil pengamatan diperoleh bahwa tegangan pulsa pertama A dan tegangan pulsa kedua B yang diterima oleh transduser penerima masing-masing adalah 156,8 mV dan 37,4 mV sedangkan selang waktu antara kedua pulsa ini adalah 15,4 s. Oleh karena cairannya cukup kental sehingga atenuasinya tidak dapat diabaikan, maka diperlukan pengukuran kedua. Pengukuran kedua ini dilakukan dengan menjauhkan jarak antara ujung-ujung kedua batang penyangga menjadi 2 cm dan diperoleh tegangan pulsa pertama C sebesar 90,3 mV. Bila batang penyangga terbuat dari bahan kuarsa dengan impedansi akustik sebesar 15,1 MRayl, tentukan rapat massa cairan tersebut. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation B T R cairan Zo Z1 C A B t C Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation PENGUKURAN POROSITAS Menggunakan analisis waktu Soal No. 3 Porositas dari suatu bahan berpori seperti keramik, polimer dan batu-batuan didefinisikan sebagai perbandingan antara volume udara dalam pori-pori dan volume total. Untuk menentukan besarnya porositas ini dapat digunakan gelombang akustik berfrekuensi tinggi (ultrasonik). Hal ini dapat dilakukan karena kecepatan gelombang akustik di udara Vu (340 m/s) lebih kecil dari kecepatan di dalam padatan Vm (Padatan ini biasa disebut sebagai bahan matriks, yaitu bahan berporositas nol). Selama dirambatkan melalui suatu bahan berpori dengan tebal tertentu L, gelombang ultrasonik akan melintasi bagian berisi udara Lu dan bagian berisi matriks Lm. Bila pori-pori yang terdapat di dalam bahan berpori tersebar merata, maka perbandingan volume udara terhadap volume total (porositas) dianggap sama dengan perbandingan lintasan di udara terhadap lintasan total. Dengan demikian porositas berbanding terbalik dengan kecepatan di dalam bahan berpori V. Nyatakan porositas sebagai fungsi dari kecepatan di udara, kecepatan di dalam matriks dan kecepatan di dalam bahan berpori. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation Matriks, Vm Lm1 Lu1 Lm2 Lu2 Lm3 udara, Vu Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation Kadang-kadang sukar sekali mendapatkan bahan berporositas nol sehingga persamaan tersebut di atas tidak dapat dipakai karena Vm tidak diketahui. Dalam kasus ini perlu dilakukan kalibrasi. Misalkan dari hasil kalibrasi diperoleh kecepatan sebesar 2194,6 m/s dan 1714,5 m/s masing-masing untuk porositas sebesar 2,5 % dan 7,5 %. Bila suatu bahan berpori kecepatannya 1869,5 m/s, tentukan porositasnya. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation PENGUKURAN LAJU ALIRAN Menggunakan analisis waktu Soal No. 4 Untuk mengukur kecepatan aliran fluida V yang mengalir dalam suatu pipa berdiameter D digunakan pengukur aliran ultrasonik. Pada dasarnya Ultrasonic Flow Meter (UFM) ini terdiri dari dua buah transduser yang dapat bertindak baik sebagai pemancar maupun sebagai penerima (T/R probe) dan suatu pengukur waktu tempuh. Salah satu transduser (T/R1) dipasang pada bagian hulu (upstream) sedangkan transduser yang lain (T/R2) dipasang pada bagian hilir (downstream). Kedua transduser ini dapat diletakkan pada sisi yang sama atau pada sisi yang berlawanan dengan membentuk sudut dengan sumbu pipa. Mula-mula transduser T/R2 memancarkan gelombang ultrasonik yang diterima oleh transduser T/R1 dengan waktu tempuh t21. Kemudian transduser T/R1 memancarkan gelombang ultrasonik yang diterima oleh transduser T/R2 dengan waktu tempuh t12. Kedua waktu tempuh ini akan berbeda karena yang satu pada saat gelombang ultrasonik bergerak melawan arus sedangkan yang lain pada saat gelombang ultrasonik bergerak mengikuti arus. Makin besar kecepatan aliran fluidanya, maka makin besar pula perbedaannya. Dengan demikian perbedaan waktu tempuh t ini dapat dimanfaatkan untuk menentukan kecepatan aliran fluida. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation Downstream t21 V D Vcos t12 Upstream T/R2 Bila kecepatan gelombang ultrasonik di dalam fluida adalah C, nyatakan kecepatan aliran fluida sebagai fungsi dari D, C, dan t. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation V Upstream Downstream t12 t21 D T/R2 T/R1 Vcos Upstream Downstream Downstream Upstream Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation Pada persamaan di atas, kecepatan aliran fluida yang akan ditentukan masih tergantung pada kecepatan gelombang ultrasonik di dalam fluida. Oleh karena besarnya kecepatan gelombang ultrasonik dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan, maka agar hasilnya lebih teliti diperlukan pengukuran temperatur dan tekanan fluida yang sedang mengalir. Hal ini akan menyebabkan pengukuran kecepatan aliran fluida ini menjadi tidak praktis. Eliminasi kecepatan gelombang ultrasonik ini sehingga kecepatan aliran fluida dapat dihitung tanpa harus mengetahui besarnya C sehingga pengukuran menjadi lebih praktis. Ultrasonic Instrumentation
Ultrasonic Instrumentation