Bab 5 Instrumentasi

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 ujungujung 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
1
A
d
Ao
Z1
T
A
Z3
B
B
Z2
R
t
cairan
cairan
Z1  Z3  15,1 MRayl
A  Ao T12T23
t  26S
d  0,02 m
Z2  2 V2
B  Ao T12R 23R 21T23
2
 15,1M  Z 2 
Z  Z 2 Z1  Z 2
B
52,2
 
 R 23R 21  ( 3
)(
)  
 0,6525
A
Z3  Z 2 Z1  Z 2
80
 15,1M  Z 2 
15,1M  Z 2
 0,8078  Z 2  1,606 M
15,1M  Z 2
V2 
2(0,02)m
Z
1,606M
 1538,5 m / s   2  2 
 1043,6 kg / m 3
26S
V2 1538,5
Ultrasonic Instrumentation
2
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
3
T
A
R
Z1
A
Zo
B
B
cairan
t
C
A  A o T01T1010
A
 10
C
R 10 
0 , 01
20


0, 01
20
 156,8
156,8
 1,736
90,3
Zo  Z1 1,736

 0,848
Zo  Z1 2,048
0,02
V
 1299 m / s
15,4x10 6
B  A o T01R10R10T1010

0, 03
20
 37,4
0, 02
20
A 156,8
10

 4,1925 
2
B 37,4
R 10
Z1 
C

C  A o T01T1010

0, 02
20
 90,3
1,736
 4,1925  2,048
R 10
1  0,848
Zo  0,082 (15,1)M  1,242M
1  0,848
Z1 1,242x106
1 

 956 kg / m3
V
1299
Ultrasonic Instrumentation
4
 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.
a) Nyatakan porositas sebagai fungsi dari kecepatan di udara, kecepatan di dalam matriks
dan kecepatan di dalam bahan berpori.
Ultrasonic Instrumentation
5
L
Matriks, Vm
Lm1
Lu1
Lm2
Lu2
Lm3
udara, Vu
L u  L u1  L u 2
L m  L m1  L m 2  L m 3
L  Lu  Lm
T  Tu  Tm
Lu Lm
L
T


V Vu Vm

Lu 1
1
Lm 1


V
L Vu
L Vm
Ultrasonic Instrumentation
6
Lu 1
1
Lm 1


V
L Vu
L Vm
Vudara L u


Vtotal
L

Lm L  Lu

 1 
L
L
1
1
1

 (1  )
V
Vu
Vm
 Vm Vu  1  Vu
  
  
 Vm  Vu  V  Vm  Vu



A
 B
V
Ultrasonic Instrumentation
7
b) 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.
A
A
A
 B 0,025 
B  B
 0,025
V
2194,6
2194,6
A
A
A
0,075 
B

 0,025
1714,5
1714,5 2194,6

1 
 1


A  1,276 x10  4 A  0,05
 1714,5 2194,6 
0,05
391,85
A

391
,
85
B

 0,025  0,154
4
1,276 x10
2194,6
391,85

 0,154  5,56 %
1869,5
Ultrasonic Instrumentation
8
 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
9
T/R1

Downstream
t21
V
D
t12
Vcos
Upstream
T/R2
a) Bila kecepatan gelombang ultrasonik di dalam fluida adalah C,
nyatakan kecepatan aliran fluida sebagai fungsi dari D, C, 
dan t.
Ultrasonic Instrumentation
10
T/R1

Downstream
t21
V
D
Vcos
t12
Upstream
Upstream  Downstream
Downstream  Upstream
T/R2
t12
t 21
D
cos 

C  V sin 
D
cos 

C  V sin 
Ultrasonic Instrumentation
11
t 21
D
cos 

C  V sin 
t12
D
cos 

C  V sin 
D
D
cos 
cos 
t 

C  V sin  C  V sin 
2DVtg 
t  2
2
C  V sin 
 C2 
 t
V  
 2Dtg  
t  t 21  t12
CD  DV sin  CD  DV sin 

cos 
cos 

2
C 2  V sin 
V  C
2DVtg 
t 
C2
V  K t
Ultrasonic Instrumentation
12
b) 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
13
t 21
t12
D
cos 

C  V sin 
D
cos 

C  V sin 
f  f1  f 2
1
C  V sin 
f2 

D
t 21
cos 
1
C  V sin 
f1 

D
t12
cos 
C  V sin  C  V sin 
2V sin  cos 



D
D
D
cos 
cos 
 D 
V
 f
 sin 2 
Ultrasonic Instrumentation
14