Characterization of Thermal Water Current Meter

1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Data primer sangat dibutuhkan dalam
berbagai pengamatan maupun penelitian.
Pemanfaatan alat ukur merupakan cara yang
paling utama dalam
memperoleh data
primer tersebut. Alat ukur yang tersedia
semakin berkembang dengan adanya
kemajuan teknologi. Perkembangan alat
ukur sesuai dengan kebutuhan semakin
banyak dibutuhkan dalam berbagai bidang
penelitian.
Dalam bidang hidrologi, informasi debit
sungai merupakan komponen yang sangat
penting dalam pengelolaan daerah aliran
sungai (DAS). Kemampuan pengukuran
debit aliran sungai sangat diperlukan untuk
mengetahui sifat sumberdaya air di suatu
wilayah DAS. Debit aliran dapat dijadikan
sebagai alat untuk memonitor dan
mengevaluasi neraca air suatu kawasan
melalui pendekatan potensi sumberdaya air
permukaan yang ada. Dalam pengukuran
debit air, ada beberapa metode yang
digunakan salah satunya adalah pengukuran
tidak langsung dengan menggunakan area
velocity method. Debit air diduga dengan
menggunakan persamaan yang merupakan
perkalian antara luas penampang sungai
dengan laju aliran sungai. Laju aliran sungai
didapat dengan menggunakan current meter.
Sebuah current meter yang ideal harus
memiliki respon yang cepat dan konsisten
dengan setiap perubahan yang terjadi pada
kecepatan air, dan harus secara akurat dan
terpercaya sesuai dengan komponen
kecepatan. Juga harus tahan lama, mudah
dilakukan pemeliharaan, dan mudah
digunakan dengan kondisi lingkungan yang
berbeda-beda (Richards 1998). Dalam
pengukuran laju aliran, kondisi lapangan
yang berbeda-beda menyebabkan beberapa
tipe current meter hanya dapat digunakan
hanya pada kondisi tertentu. Current meter
tipe mekanik, tidak dapat mengukur
kecepatan laju aliran air yang sangat kecil.
Di daerah yang sangat dangkal atau daerah
dengan biota perairan yang banyak, Current
meter tipe mekanik tidak bisa digunakan
karena habitat yang terdapat pada perairan
tersebut dapat terganggu akibat perputaran
mekanik pada baling-baling current meter
(Rahman 2008).
Current meter tipe elektromagnetik dan
tipe akustik memiliki keunggulan dalam hal
pengukuran di daerah dangkal dan dapat
mengukur laju aliran yang sangat rendah.
Kelebihan lain dari tipe akustik adalah dapat
mengukur laju aliran secara cepat dan akurat
(Huang 2004). Untuk mendapatkan alat-alat
tersebut diperlukan biaya yang sangat besar
sehingga diperlukan alternatif lain untuk
mengukur laju aliran air. Untuk keperluan
penelitian biota perairan, pengukuran laju
aliran biasanya menggunakan benda
terapung yang di ukur jarak tempuh pada
waktu tertentu sehingga didapat nilai laju
aliran. Penggunaan benda terapung tersebut
tidak akurat karena hanya dapat mengukur
laju aliran pada permukaan air.
Current meter dengan menggunakan
sensor suhu merupakan suatu pendekatan
yang dapat digunakan untuk melakukan
pengukuran laju aliran pada kondisi-kondisi
tersebut. Selain tidak memerlukan biaya
yang tinggi, alat ini memiliki bentuk yang
sangat kecil, dan pembuatan yang lebih
mudah.
1.2 Tujuan
Mengembangkan alat ukur laju aliran
air dengan menggunakan sensor suhu dan
menguji karakteristiknya
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Alat Pengukur Laju Aliran ( Current
Meter )
Menurut Ahmed (2009), ada berbagai
macam jenis current meter yang tersedia dan
sering digunakan. Current meter terbagi
menjadi tiga kategori utama: Current meter
mekanik, current meter elektromagnetik dan
current meter akustik.
2.2.1Current Meter Mekanik
Semua current meter mekanik memiliki
prinsip kerja dengan mngeubah kecepatan
linear menjadi kecepatan angular. Terdapat
dua jenis current meter mekanik yaitu
vertical-axis meter dan horizontal-axis
meter. Sebelum digunakan kedua jenis
current meter tersebut harus di kalibrasi
dengan menghubungkan antara jumlah
putaran baling-baling dengan laju aliran air.
Tiga tipe vertical-axis meter yang sering
digunakan adalah Price Type AA meter,
WSC winter meter dan Pygmy meter. Di
antara ketiganya, Price Type AA meter
memiliki kualitas yang lebih baik
dibandingkan dengan yang lainnya dan
selalu digunakan pada berbagai macam
penelitian dan cocok untuk segala kondisi di
lapangan.
2
dangkal, dan perairan dengan keceptan yang
sangat pelan. Biasanya alat ini digunakan
untuk mempelajari habitat biota perairan.
Gambar 1 Price Type (622) AA meter.
(Sumber: Ahmed 2009)
Horizontal-axis meter Sangat baik
dipergunakan pada daerah yang memiliki
turbulens yang tinggi dengan kemampuan
mengukur arus deras baik dengan posisi
horizontal maupun vertikal. Dilengkapi
dengan rotor yang memiliki keseimbangan
saat menghadapi pergerakan linear.
Semua model menggunakan magnetis
permukaan beralih untuk menghasilkan
hitungan rotasi dalam bentuk pulsa,
sehingga dapat menghindari terjadinya
gesekan pada komponen yang berdekatan.
Gambar
2
OTT C2 Current Meter
(Horizontal-Axis Meter).
(Sumber: Ahmed 2009)
2.2.2 Current Meter Elektromagnetik
Current
Meter
elektromagnetik
mengukur
kecepatan
aliran
dengan
menggunakan hukum Faraday. Konduktor
(air) yang bergerak pada suatu medan gaya
akan menghasilkan tegangan yang nilainya
sebanding dengan
kecepatan
aliran.
Elektroda pada alat menerima sinyal
tegangan yang kemudian diterjemahkan ke
dalam angka yang berupa kecepatan aliran
air. Tidak ada gangguan kerja mekanik pada
alat ini karena tidak ada bagian alat yang
bergerak seperti pada current meter
mekanik. Sensor aliran elektromagnetik
dapat mendeteksi aliran yang sangat kecil
dan dapat digunakan pada lokasi dimana
current meter mekanik tidak dapat
digunakan seperti pada daerah yang
memiliki tanaman air dalam jumlah yang
besar, air yang terkontaminasi, perairan
Gambar
3
OTT Nautilus C 2000
Elektromagnetic
Flow
Sensor (0-2.5 m/s).
(Sumber: Ahmed 2009)
2.2.3 Current Meter Akustik
Acoustic Doppler Velocity (ADV) meter
merupakan salah satu contoh alat akustik
yang dikembangkan untuk mengukur laju
aliran dalam dua atau tiga dimensi. Alat ini
terbagi menjadi dua bagian yaitu pemancar
sinyal dan penerima sinyal yang mengukur
laju aliran pada 0.25 cc volume air yang
terletak 10 cm pada sensor. Pemancar
memancarkan sinyal pada sampel air
kemudian sinyal akustik akan dipantulkan
kembali oleh partikel tersuspensi yang ada
di air yang diterima oleh penerima sinyal.
Dibandingkan dengan current meter
mekanik, ADV meter memiliki beberapa
keunggulan seperti area kecepatan yang
lebih luas, pengukuran pada area yang lebih
dangkal, dan tidak memerlukan kalibrasi
ulang. Alat ini dapat menambah kualitas
data pada kecepatan yang sangat rendah dan
memiliki daya tahan yang tinggi.
Gambar 4 Acoustic Doppler Velocity Meter
(0.001 – 4.0 m/s).
(Sumber: Ahmed 2009)
3
2.2 Thermal Flow meter
Thermal flow meter atau sering juga
disebut sebagai thermal mass flow meter
merupakan alat pengukur laju aliran fluida
atau dapat digunakan sebagai pengatur laju
aliran fluida dengan menggunakan prinsipprinsip perpindahan panas. Laju aliran
dihitung dari jumlah panas per satuan waktu
yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu
sejumlah fluida (O’Hanlon 2003).
Ada banyak jenis thermal flow meter
yang tersedia. Biasanya alat ini digunakan
untuk mengukur laju aliran berbagai jenis
fluida dengan sensitivitas yang tinggi.
Menurut Sosna (2011) thermal flow meter
dapat
dilihat
karakteristiknya
dari
senstivitas, akurasi, kemampuan untuk
dibuat ulang, rentang pengukuran dan waktu
respon alat tersebut.
Gambar 5 Prinsip kerja thermal flow meter.
2.3 Sensor suhu
Menurut Petruzella (2001), terdapat
empat jenis utama sensor suhu, yaitu;
thermocouple (T/C), resistance temperature
detector (RTD), termistor dan Integrated
Circuit (IC) sensor. Thermocouple pada
dasarnya terdiri dari sepasang transduser
panas dan dingin yang disambungkan
bersama, nilai suhu merupakan perbedaan
yang timbul antara sambungan tersebut
dengan sambungan referensi yang berfungsi
sebagai
pembanding.
Resistance
Temperature Detector (RTD) merupakan
sensor yang didasari pada tahanan listrik dari
logam yang bervariasi sebanding dengan
suhu. Kesebandingan variasi ini adalah
presisi dengan tingkat kestabilan yang tinggi
pada
pendeteksian
tahanan.
Platina
merupakan bahan yang sering digunakan
karena memiliki tahanan suhu, kelinearan,
stabilitas dan reproduksibilitas yang tinggi.
Termistor adalah resistor yang peka terhadap
panas yang biasanya mempunyai koefisien
suhu negatif, karena saat suhu meningkat
maka tahanan menurun atau sebaliknya.
Jenis ini sangat peka dengan perubahan
hambatan 5% per C sehingga mampu
mendeteksi perubahan suhu yang kecil. IC
Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian
terpadu yang menggunakan chipsilikon
untuk
kelemahan
penginderanya.
Mempunyai konfigurasi output tegangan dan
arus yang sangat linear. IC yang biasanya
digunakan untuk mengukur suhu adalah IC
LM35.
Gambar 6 Profil suhu pada thermal mass flow meter.
(Sumber: Boer 1995)
4
2.4
Sensor Suhu LM35 DZ
Gambar 7 Sensor LM35 DZ.
(Sumber : www.national.com)
Suhu lingkungan dapat di deteksi
dengan menggunakan IC yang peka terhadap
suhu. Sensor suhu LM35 DZ merupakan
komponen elektronika yang memiliki fungsi
untuk mengubah besaran suhu menjadi
besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Sensor suhu ini memiliki keakuratan yang
tinggi dan kemudahan perancangan jika
dibandingkan dengan sensor suhu lainnya.
LM35 DZ juga mempunyai keluaran
impedansi yang rendah dan linearitas yang
tinggi sehingga dapat dengan mudah
dihubungkan dengan rangkaian kendali
khusus serta tidak memerlukan penyetelan
lanjutan. Catu daya yang digunakan berkisar
antara 4 sampai 30 volt sehingga dapat
menggunakan catu daya tunggal dengan
ketentuan LM35 DZ hanya membutuhkan
arus sebesar 60 µA. Hal ini menyebabkan
LM35
DZ
mempunyai
kemampuan
menghasilkan panas (Self Heating) yang
dapat menyebabkan kesalahan pembacaan
yang rendah yaitu sebesar 0.08 oC pada suhu
udara. Sensor ini memiliki jangkauan
operasi maksimal operasi suhu antara 0 oC
hingga 100 oC, waktu tanggap yang cepat
dan memiliki sensitivitas suhu dengan faktor
skala linear antara tegangan dan suhu
sebesar 10 mV/oC, sehingga dapat langsung
dikalibrasi kedalam satuan Celsius (National
Semiconductor 2000).
2.5 Perpindahan Panas
Apabila terdapat dua benda atau lebih
terjadi kontak termal maka akan terjadi
aliran kalor dari benda yang bertemperatur
lebih tinggi ke benda yang bertemperatur
lebih
rendah,
hingga
tercapainya
kesetimbangan termal (Sukomel et al. 2008).
Proses
perpindahan
panas
ini
berlangsung dalam 3 mekanisme yaitu
konduksi, konveksi dan radiasi.
Hukum
pendinginan
Newton
menyatakan bahwa laju perubahan suhu
pada suatu benda akan sebanding dengan
perbedaan antara suhu benda tersebut
dengan suhu lingkungan disekitar benda
(Blundell et al. 2006). Apabila suatu benda
yang memiliki suhu lebih besar dimasukkan
ke dalam air maka akan terjadi penurunan
suhu yang besar laju penurunannya
sebanding dengan jumlah air yang melewati
benda tersebut. Semakin banyak jumlah air
yang melewati benda tersebut maka semakin
banyak panas yang hilang pada benda
tersebut ( Kane, et al 1984). Besarnya panas
yang mengalir dari benda yang dipanaskan
menuju ke aliran air terjadi secara konveksi
yang dirumuskan sebagai berikut:
Q = h A ΔT…….(1)
Dimana,
Q : Panas yang terserap air akibat
konveksi (Watt)
h : Koefisien perpindahan panas Forced
Convection (W/m2 oC)
A : Luas Permukaan sensor (m2)
ΔT : Perbedaan suhu Sensor dan
Lingkungan (oC)
Besarnya koefisien
dilihat pada tabel 1.
konveksi
dapat
Tabel 1. Nilai koefisien perpindahan panas
pada fluida.
Regime
h (W/m2.K)
Free Convection (air)
5-25
Free Convection (water)
50-1.200
Forced Convection (air)
25-250
Forced Convection (water)
50-20.000
Condensation of Steam on
2.000-20.000
Walls
Condensation of Steam on
2.000-50.000
Pipes
Pool of Boiling Water
2.000-50.000
Flow of Boiling Water
2.000-100.000
(Sumber: Massoud 2005)