Alat Ukur dan Teknik Pengukuran Pengukuran Tekanan dan Kecepatan 9

Tekanan Konsep tekanan Alat ukur tekanan Pressure transducer Barometer Manometer Micromanometer McLeod gauge Pressure transducer Bourdon tube Bellows and capsule diaphragms

Pengukuran tekanan untuk fluida bergerak Pengukuran kecepatan fluida Pitot static pressure Thermal anemometry Doppler anemometry

Tekanan Tekanan adalah gaya per satuan luas yang diberikan oleh fluida terhadap dinding bejana yang ditempati fluida tersebut. Tekanan bukan merupakan besaran dasar, melainkan diturunkan dari besaran gaya dan besaran luas, yang secara berturutan diturunkan dari besaran standar massa, panjang dan waktu.

Tekanan Tekanan absolut (absolute pressure) menyatakan nilai absolut (mutlak) dari gaya per satuan luas yang bekerja pada dinding bejana penampung fluida. Tekanan relatif (relative pressure) atau tekanan terukur (gauge pressure) adalah selisih antara tekanan absolut dengan tekanan atmosfir setempat. Vakum (vacuum) menyatakan besar kelebihan tekanan atmosfir terhadap tekanan absolut.

Tekanan Newton per meter persegi (N/m2) atau Pascal (Pa). Sistim British, Pound force per square inch absolute, Psia atau lbf/in2). Sistim SI (metrik) , Newton per meter persegi (N/m2) atau Pascal (Pa). Tekanan juga sering dinyatakan dengan tinggi kolom fluida (mmHg atau cmHg) Ada juga mmH2O atau cmH2O.

Tekanan 1 atmosfir (atm) = 14,696 psia = 1,013 . 105 N/m2 (Pa) = 760 Torr = 10350,8 mmH2O 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa) 1 atmosfir (atm) = 760 mmHg 1 bar = 105 N/m2 (100 kPa) 1 psia = 6894,76 N/m2 (6,894 kPa)

Tekanan Sifat penting dari cairan pada manometer High chemical stability  untuk menjaga kondisi tetap konstan Low viscosity  untuk menghindari keterlambatan perubahan Low capillary constant Low coefficient of thermal expansion Low volatility  untuk menjaga kondisi tetap konstan Low vapour pressure  untuk mengatasi pengukuran pada tekanan rendah Chapter 5 measurement of pressure

Barometer Untuk mengukur tekanan atmosfir setempat Terdiri dari tabung dengan salah satu ujung tertutup, bagian ujung terbuka dibalik dan dimasukkan ke dalam reservoir Reservoir dalam kondisi terbuka dengan tekanan atmosfir http://weather.about.com/od/weatherinstruments/a/barometers.htm

Barometer p1 = p2 p1 > p2  p1 = p2 + H  H = h + d

Manometer Pipa-U Saat kedua ujung bagian atas pipa yang terbuka berhubungan dengan udara luar. Tekanan pipa kiri = tekanan pipa kanan = tekanan atmosfir, Ketinggian fluida dikedua kaki sama. (gb a)

Manometer Pipa-U Jika salah satu kaki diberi tekanan, px sedangkan kaki yang lain tetap terbuka, maka tekanan px yang bekerja pada cairan di dalam tabung, mendesak cairan kebawah pada salah satu kaki  Ketinggian cairan di kedua sisi tabung menjadi berbeda. (gb b)

Manometer Pipa-U Perbedaan antara tekanan yang tak diketahui dengan tekanan atmosfir disebut tekanan pengukur (gauge pressure), jang besarnya: atau

Contoh percobaan manometer pipa U sederhana

Manometer Pipa-U dengan kemiringan Manometer miring lebih sensitif daripada manometer pipa-U. Oleh karena itu lebih sesuai untuk pengukuran tekanan yang lebih kecil atau di mana akurasi lebih besar diperlukan.

Manometer Pipa-U dengan kemiringan Salah satu kaki manometer miring terhubung ke reservoir. Kaki lainnya dari dimiringkan pada sudut  yang diketahui. Kedua ujung kaki manometer terbuka dan kontak dengan udara atmosfir. Luas penampang permukaan fluida didalam reservoir >> di kaki miring.

Manometer Pipa-U dengan kemiringan Jika tekanan px diterapkan ke kaki reservor, perubahan ketinggian h1 di kaki reservoir < dibandingkan di kaki miring, h2. Tekanan pengukur dinyatakan dengan:

Manometer Pipa-U dengan kemiringan dimana  = kerapatan cairan di dalam pipa, kg/m3. g = percepatan gravitasi, 9,81 m/s2. x = jarak cairan yang bergerak sepanjang kaki miring, m  = sudut kaki miring terhadap horisontal

Micromanometer Untuk mengukur perbedaan tekanan dengan sangat akurat Dapat mengukur tekanan hingga 0,005 mmH2O

Kondisi awal diatur hingga p1 = p2

McLeod gauge Untuk mengukur tekanan rendah Mcleod gages - theory

Tekanan dan volume awal p1 = pi V1 = V + A.h0 Tekanan dan volume akhir p2 = pgage V2 = A.h V adalah volume reservoir A adalah luas area pada sealed tube

Hukum Boyle Pi.(V + A.h0) = Pgage.A.h Pgage = p – p ref = .g.h – pi Tekanan yang tidak diketahui pi dengan perbedaan ketinggian Volume reservoir V » A·(h0-h) sehingga

McLeod gauge Jenis manometer kompresi Menggunakan air raksa sebagai cairan Menggunakan prinsip hukum Boyle pV = konstan

Pressure transducer Berfungsi untuk mengkonversikan tekanan terukur ke dalam bentuk mekanik atau sinyal elektrik Transducer merupakan gabungan antara sensor-transducer

Bourdon tube Tabung Bourdon berupa tabung elastis mempunyai penampang elips dan berbentuk konfigurasi huruf "C". Jenis ini merupakan pressure transducer mekanik Range 104-109 Pa

Bourdon tube Prinsip kerja https://www.youtube.com/watch?v=84Vxv1GBGmM Bila terdapat tekanan dalam tabung tersebut, akan terjadi deformasi elastik pada tabung, yang dalam keadaan ideal sebanding dengan tekanan. Gerakan ujung tabung digabungkan dengan jarum pada dial untuk melengkapi alat ukur. https://www.youtube.com/watch?v=84Vxv1GBGmM

Bourdon tube Alat ukur ini robust dan dapat digunakan untuk mengukur hingga tekanan tinggi Akurasi dan reproducibility cukup rendah Tidak cocok untuk pengukuran yang presisi Material dari Bourdon tube: phosphor bronze, beryllium bronze beryllium copper

Bellows Menggunakan dinding tipis berbentuk tabung logam fleksibel dengan salah satu ujungnya tertutup Dapat dipakai untuk mengukur tekanan rendah

Bellows Prinsip kerja Bellow akan bertambah panjang jika terdapat perbedaan tekanan di dalam dan di luar Penghubung mekanik mengkonversikan perpindahan translasi dari bellow ke bagian pembacaan (LVDT)

Potentiometric pressure transducer

Capsule Merupakan sensor tekanan yang mirip dengan bellows Menggunakan dinding tipis dan flexible tube Beda dengan bellows: Diameter lebih besar namun lebih pendek

Bellow and capsule Material bellows: Kuningan Fosfor-perunggu Berrilium Tembaga Monel Stainless steel Inconel

Pengukur Diafragma Pengukur diafragma (diaphram gauge) menggunakan elemen fleksibel sebagai sensor. Ketika tekanan berubah, elemen fleksibel bergerak karena mengalami deformasi elastis. https://www.youtube.com/watch?v=gC2Hx7n7KY4

Diafragma Diafragma akan mengalami defleksi sesuai dengan beda tekanan yang diberikan Defleksi yang terjadi dapat diindera dengan sensor pergeseran yang sesuai. Hubungan antara defleksi diafragma, y dengan perubahan tekanan Δp akan linier dengan jika defleksi yang terjadi < 1/3 tebal diafragma

Diafragma Bentuk diafragma: Mirip trampolin Lembaran datar dan tipis yang terbuat dari logam Mirip trampolin Material diafragma dapat berupa: paduan logam elastis Kuningan, perunggu, phosphor, tembaga, berrylium, stainless steel bukan logam Kulit sutra, teflon, neoprene

Corrugated Diafragma Memiliki keunggulan seperti: Dapat meningkatkan kekakuan Dapat meningkatkan luas permukaan efektif

Diafragma Defleksi maksimum yang terjadi untuk beban terdistribusi merata pada seluruh permukaan dinyatakan dengan: Untuk sistim SI dapat dituliskan:

Diafragma Dimana: E = modulus elastisitas t = tebal, in atau m a = radius diafragma, in atau m  = poisson rasio

Contoh Sebuah pengukur tekanan diafragma terbuat dari pegas baja (E = 200 GN/m2;  = 0,3), diameter 5,0 cm dan didesain untuk tekanan maksimum 1,4 Mpa. Tentukan tebal pengukur yang dibutuhkan sehingga defleksi maksimum yang terjadi 1/3 dari tebal diafragma.

Contoh Menggunakan persamaan maka t = 0,83 mm

Pengukuran tekanan fluida bergerak Flowmeter Tekanan Diferensial didasarkan pada Persamaan Bernoulli, yang menghubungkan penurunan tekanan dengan kecepatan aliran dan persamaan kontinuitas, yang dinyatakan dengan: 1 2

Tekanan diferensial Untuk sistem aliran satu dimensi Dimana pada kondisi horisontal tidak terjadi perubahan ketinggian h1 =h2, sehingga 3

Tekanan diferensial Perbedaan tekanan (tekanan diferensial) menjadi: 4 dimana:  P  = tekanan fluida (N/m2) ρ  = masa jenis atau kerapatan fluida (kg/m3) v  = kecepatan fluida (m/s)

Debit aliran Debit aliran, Q yang menyatakan volume fluida, V yang mengalir melalui suatu penampang aliran setiap satuan waktu dinyatakan dengan: 5

Debit aliran Untuk fluida ideal, dimana fluida tak dapat dimampatkan dan tidak memiliki kekekantalan atau rendah (viskositas), maka debit fluida yang masuk sama dengan debit fluida yang keluar: 6 Persamaan Kontinuitas

Dengan Maka perbedaan tekanan p1 – p2 menjadi Dan kecepatan 2 adalah

Contoh soal Pada sebuah pipa lurus yang diposisikan horisontal dengan penampang yang berbeda, masing-masing dengan luas 200 mm2 dan 100 mm2 dialiri air ( = 1000 kg/m3) dari penampang yang lebih besar dengan kecepatan aliran 2 m/s. Tentukan kecepatan arus air di penampang kecil, Volume air yang mengalir setiap menit. Tekanan diferensial pada pipa aliran

Contoh soal Kecepatan 2 (4 m/s) debit air (24x10-3 m3) Tekanan diferensial (6x102 Pa)

Flow meter Orifis Sebuah pelat orifis dengan lubang melingkar disisipkan ke dalam pipa dan tekanan diferensial yang melintasi setiap sisi orifis diukur Pelat orifis yang berada di dalam pipa menyebabkan peningkatan kecepatan aliran dan bersamaan dengan penurunan tekanan.

Flow meter Orifis Dalam pengukuran laju aliran fluida dengan orifis dan manometer tekanan diferensial pengaruh fluida di atas cairan manometer diperhitungkan.

Flow meter Orifis Tekanan diferensial di orifis biasanya dinyatakan dengan tinggi kolom cairan. h = beda ketinggian kolom cairan ’ = massa jenis cairan pada manometer  = massa jenis fluida diatas manometer

Flow meter Orifis Perhitungan perbedaan tekanan pada aliran tak-mampu mampat (cairan): Sehingga kecepatan v2 ….. dengan debit Q = AV maka debit aliran:

Flow meter Orifis Dengan asumsi aliran laminar sempurna, (tidak pernah terjadi) di dunia nyata karena aliran dalam pipa pasti memiliki sejumlah turbulensi, yang beraksi untuk mengubah energi kinetik aliran menjadi panas. Efek ini diperhitungkan dengan menambahkan Koefisien debit (Cd) ke dalam persamaan

Flow meter Orifis Nilai Cd yang digunakan biasanya antara 0,6 sampai 0,9 dan tergantung pada diameter orifis dan pipa serta bilangan Reynold.

Bilangan Reynold Bilangan yang membantu memprediksi pola aliran fluida, misalnya laminar dan turbulen Bilangan Reynold tidak memiliki dimensi Dimana: v = kecepatan D = Diameter pipa  = massa jenis (kg/m3)  = viskositas dinamik (N.s/m2 atau kg/(m.s)  = viskositas kinematik ( = /) (m2/s)

Venturi Meter Dalam Tabung Venturi laju aliran fluida diukur dengan mengurangi luas penampang aliran di lintasan aliran, sehingga menghasilkan penurunan tekanan dan peningkatan kecepatan aliran. Pada venturimeter fluida dipercepat melalui kerucut konvergen dengan sudut 21° dan diperlambat di kerucut divergen dengan sudut 5 - 7°.

Venturi Meter Gambar skema venturi meter Terdiri dari 2 pipa kerucut Penggunaannya efektif untuk kecepatan aliran yang tetap

High pressure venturi tube Peralatan ini mahal, rasio diameter tidak dapat diubah

Bagian inlet Inlet cone Throat (leher) Bagian yang berbentuk lurus dengan diameter yang sama seperti diameter pipa atau cerobong aliran. Lubang tekanan awal ditempatkan pada bagian ini. Inlet cone Bagian yang berbentuk seperti kerucut, yang berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida. Throat (leher) Bagian dengan diamter terkecil dan merupakan tempat pengambilan beda tekanan akhir bagian ini berbentuk bulat datar

Berdasarkan persamaan Bernoulli untuk aliran horisontal dan persamaan tekanan diferensial:

Pengukuran flow rate