Praktikum 3 – Alat Alat Ukur Debit Saluran Tertutup I.
TUJUAN
1. Menentukan debit teoritis (Qteoritis) dari venturimeter dan orificemeter 2. Menentukan nilai koefisien discharge (Cd) dari venturimeter dan orificemeter.
II.
PRINSIP DASAR Prinsip dasar praktikum alat ukur debit saluran tertutup adalah kita mengukur temperatur
awal fluida sebelum precobaan dimulai. Lalu aktifkan Hydraulic bench dan keluarkan udara yang ada di dalam piezometer dan posisi muka air ada di ketinggian 280 mm. Pengukuran dilakukan pada lima variasi debit dengan tiga variasi debit pada masing-masing debit. Pada setiap variasi debit, kita harus mengukur ketinggian air pada venturimeter (h A dan h b) serta ketinggian air pada orificemeter (hE dan hF). Dan setelah percobaan selesai, ukur kembali temperatur air pada Hydraulic Bench. III.
TEORI DASAR
3.1 VENTURIMETER
Persamaan dasar yang digunakan pada venturimeter adalah persamaan Bernaulli. Misalkan kecepatan rata-rata di hulu adalah V1 dan kecepatan di hilir aalah V2, serta densitas fluida adalah ρ, maka: Di bawah ini merupakan persamaan kontinuitas:
Dan dari persamaan Bernaulli adalah
1
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup
Kemudian gabungkan kedua persamaan di atas
Pada venturimeter, gesekan dapat diabaikan dan venture diasumsikan terpasang secara horizontal tanpa pompa. Dan tekanan di P sama dengan tekanan di R.
Dari persamaan-persamaan di atas,
Debit (laju volume aliran) di dapatkan sebagai be rikut
2
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup
TEORI IDEAL VENTURIMETER
Dimana,
A: Area di venturi inlet, g = percepatan gravitasi,
X: perbandingan area di venture inlet ke leher . ( X = A/a).
Dalam hal ini, untuk perhitungan diperlukan faktor koreksi atau koefisien discharge,karena agar dapat menghasilkan perhitungan yang tepat walaupun terdapat faktor gesekan fluida dan terjadi turbulensi. Maka persamaannya menjadi:
3.2 ORIFICEMETER
Orificemeter adalah salah satu alat untuk mengukur laju aliran di dalam pipa dan merupakan alat yang paling sederhana dibandingkan alat ukur laju aliran lainnya. Untuk venturimeter, dengan sistem manometer tertentu, laju aliran maksimum yang dap at diukut terbatas, maka jika laju aliran tersebut berubah-ubah, diameter leher akan terlalu kecil untuk menampung laju aliran maksimum yang baru. Dan orificemeter adalah alat untuk mengatasi kekurangan dari alat ukur venturimeter dengan konsumsi daya yang lebih tinggi.
3
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup
Prinsip alat ini hampir sama dengan prinsip alat ukur venturimeter. Penurunan penampang arus aliran melalui orificemeter mengakibatkan head kecepatan naik dan head tekanan turun. Penurunan tekanan diantara kedua titik sadap diukur dengan menggunakan manometer. Persamaan Bernaulli memberikan koreksi peningkatan-peningkatan head kecepatan dengan penurunan head tekanan. Jika diasumsikan pipa horizontal dan tidak ada pengaruh viskositasm maka penetapan persamaan Bernaulli di kedua titik adalah:
Terdapat kerugian head antara titik 1 dan 2 sehingga berlaku persamaan :
dan
4
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup Pada gambar di atas, tekanan di vena kontrakta lebih kecil dari tekanan di titik 1. Pertama disebabkan karena luas vena kontrakta lebih kecil dari luas awal. A2 dinyatakan dengan : A2 = C x A0, dimana C adalah koefisien kontraksi dengan nilai lebih kecil dari 1. Kedua disebabkan oleh adanya suati kerugian head yang tidak dapat dihitung secara teoritis. Jadi, sebuah koefisien discharge orifis Co digunakan untuk memperhitungkan kedua efek tersebut.
IV.
DATA DAN PERHITUNGAN
Suhu air awal percobaan = Tawal = 24°C Suhu air akhir percobaan = Takhir = 25°C Suhu air rata-rata
= Trata-rata= 24,5°C
Diameter pipa
= 1. Venturimeter: dA = 26 mm, dB = 16 mm 2. Orificemeter: dE = 51 mm, dF = 20 mm
Massa beban
= 2,5 kg
Massa jenis air
= 996,5088 kg/m
3
4.1 TABEL DATA 4.1.2 VENTURIMETER
Variasi 1
hA 225
hB 277
hAB 52
2
219
290
71
3
214
303
89
4
209
313
104
t(s) 26.97 36.63 36.9 30.93 31.55 30.88 27.42 26.83 27.84 25.02 25.72 5
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup
5
150
307
157
Variasi 1
hE 285
hF 210
hEF 75
2
300
202
98
3
315
192
123
4
328
183
145
5
333
108
225
25.63 19.68 19.73 19.82
4.1.2 ORIFICEMETER t(s) 36.97 36.63 36.9 30.93 31.55 30.88 27.42 26.83 27.84 25.02 25.72 25.63 19.68 19.73 19.82
4.2 TABEL HASIL 4.2.1 VENTURIMETER Variasi 1 2 3 4 5
3
Qaktual (m /s) 0.000204333 0.000241847 0.00027505 0.00029565 0.000381206
hAB (m) 0.052 0.071 0.089 0.104 0.157
3
Vb (m/s) Qhitung(m /s) 1.091353 0.000219 1.275242 0.000256 1.427771 0.000287 1.543406 0.00031 1.896328 0.000381
1. Perhitungan debit aktual (Qaktual) →
Volume air
6
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup 2. Perhitungan kecepatan aliran air (vB)
̅ (̅ ) ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Dimana,
g = 9,8 m/s
2
Maka, rumusnya menjadi:
Dengan luas penampang pipa : a.
b.
3. Perhitungan debit teoritis (Qteoritis)
4.2.2 ORIFICEMETER Variasi 1 2 3 4 5
3
Qaktual (m /s) 0.000204333 0.000241827 0.00027505 0.00029565 0.000381206
hEF (m) 0.075 0.098 0.123 0.145 0.225
Vf (m/s) 1.227658 1.40333 1.57217 1.706989 2.126366
3
Qhitung (m /s) 0.000386 0.000441 0.000494 0.000536 0.000668
1. Perhitungan debit aktual (Qaktual) Qaktual orificemeter = Qaktual venturimeter, karena volume dan waktu rata-rata venturimeter sama dengan volume dan waktu rata-rata di orificemeter. 7
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup
2. Perhitungan kecepatan aliran air (vF)
̅ (̅ ) ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
Dimana,
g = 9,8 m/s
2
Maka, rumusnya menjadi:
Dengan luas penampang pipa : a.
b.
4.3 GRAFIK 4.3.1 Grafik Suhu terhadap Densitas
1010 1000 990
Grafik Suhu terhdap Densitas Poly. (Grafik Suhu terhdap Densitas)
980 970 y =960 -0.0036x 2 - 0.0695x + 1000.6 R² = 0.9993 950 0 50 100
150
8
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup 2
y(x) = -0.003x - 0.069x + 1000 2
y(26) = -0.003(24,5) - 0.069(24,5) + 1000 y(26) = 996.0508 3
Jadi, densitas fluida tersebut adalah 996.0508 kg/m 4.3.2 Grafik Qaktual terhadap Qteoritis
0.0005 y = 1.0349x R² = 0.9798
0.0004
Grafik Qaktual terhadap Q teoritis
0.0003 0.0002
Linear (Grafik Qaktual terhadap Q teoritis)
0.0001 0 0
0.0002
0.0004
0.0006
Dari kurva di atas didapatkan nilai koefisien discharge pada venturimeter, yaitu:
= 0,967
0.0008 y = 1.7975x R² = 0.9849
0.0006
Grafik Qaktual terhadap Q teoritis
0.0004
Linear (Grafik Qaktual terhadap Q teoritis)
0.0002 0 0
0.0002
0.0004
0.0006
9
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup Dari kurva di atas didapatkan nilai koefisien discharge pada orificemeter, yaitu:
= 0,556
4.3.3 Grafik Qaktual terhadap perubahan ketinggian
0.2 y = 192238x 1.7788 R² = 0.9986
0.15
Grafik Qaktual terhadap delta h
0.1 Power (Grafik Qaktual terhadap delta h)
0.05 0 0
0.0002
0.0004
0.0006
0.25 Grafik Qaktual terhadap delta h (Orificemeter)
y = 274578x 1.7807 R² = 0.9983
0.2 0.15 0.1
Power (Grafik Qaktual terhadap delta h (Orificemeter))
0.05 0 0
V.
0.0002
0.0004
0.0006
ANALISIS Dalam menghitung Qaktual adalah membagi volume dengan waktu rata-rata untuk setiap
debit. Volume didapat dari massa air dengan massa jenis air yang didapat dari hasil regresi. Massa air yang digunakan adalah 7,5 k yang didapat dari perbandingan LA : LB = 3 : 1, dan LA : 10
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup LB = MA : MB, maka MA=3MB dengan MB=2,5 kg. Maka dari itu, massa beban berbanding terbalik dengan panjang lengannya, karena semakin besar panjang lengan maka semakin kecil massanya, begitu juga sebaliknya. Grafik Qaktual terhadap Δh pada venturimeter dan orificemet er mengalami peningkatan,
√
karena perbedaan ketinggian berbanding lurus dengan debitnya. Peningkatan juga terjadi pada grafik Qaktual terhadap Qteoritis karena
sesuai dengan persamaan:
Sehingga, Qteoritis = AB/F x VB/F Dari hasil pengolahan, terdapat perbedaan hasil Qaktual dengan Qteoritis yaitu sebagai berikut: Venturimeter: Variasi 1 2 3 4 5
Qaktual 3 (m /s) 0.000204333 0.000241847 0.00027505 0.00029565 0.000381206
Orificemeter: Qhitung 3 (m /s) 0.000219 0.000256 0.000287 0.00031 0.000381
Variasi 1 2 3 4 5
Qaktual 3 (m /s) 0.000204333 0.000241827 0.00027505 0.00029565 0.000381206
Qhitung 3 (m /s) 0.000386 0.000441 0.000494 0.000536 0.000668
Dari hasil di atas dapat dilihat bahwa hasil Q hitung pada venturimeter mendekati nilai Qaktualnya, namun hasil Qhitung pada orificemeter tidak terlalu mendekati nilai nilai Qaktualnya. Dan Biasanya hasil perhitungan Q aktual lebih kecil dibandingkan Q teoritis (Qaktual <
Qteoritis). Ketidakakuratan hasil
perhitungan dapat disebabkan banyak faktor, yaitu karena ketidaktepatan penggunaan stopwatch dan penyimpanan beban pada Hydraulic Bench sehingga hasil waktu rata-rata yang didapat tidak akurat dan dapat mempengaruhi perhitungan Qaktual karena rumus Qaktual adalah volume air dibagi waktu rata-rata. Dapat disebabkan juga karena ketidaktepatan dalam pembacaan ketinggian pada hA, hB, hE, dan hF, sehingga hasil perubahan ketinggian tidak akurat dan dapat mempengaruhi
11
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup perhitungan VB atau VF dan dapat juga mempengaruhi perhitungan Qteoritis yang didapat dari perkalian antara A dan V. Selain karena faktor pengamat, ketidakakuratan hasil perhitungan juga dapat disebabkan dari alat praktikum itu sendiri, seperti pipa dan selang yang kotor dapat menyebabkan terjadinya gesekan antara fluida dengan permukaan pipa atau selang. Dan juga banyaknya belokan di antara pipa-pipa dapat mempengaruhi laju aliran.
VI.
APLIKASI DI BIDANG TL
6.1
HYDRAULIC BENCH
1. Hydraulic Bench adalah alat yang digunakan untuk mengukur debit aliran yang biasanya dihubungkan langsung ke alat-alat fluida lainnya sepeti venturimeter, orifecemeter, rotameter, dan sebagainya. Alat ini adalah alat skala kecil yaitu digunakan di laboratorium. 2. Hydraulic Bench merupakan alat yang dapat membandingkan hasil perhitungan debit limbah di lapangan (Qaktual) dengan debit limbah secara teoritis (Q teoritis) pada pengamatan di laboratorium. 3. Hydraulic Bench dapat digunakan untuk mendesain alat ukur debit air di PDAM agar dapat diketahui debit maksimum dan minimumnya, sehingga kita juga mengetahui jumlah pasokan air yang digunakan oleh konsumen untuk memenuhi kebutuhan seharihari mereka.
6.2
VENTURIMETER Venturimeter dapat digunakan utnuk menentukan besarnya debit air yang didistribusikan
kepada konsumen khususnya oleh PDAM dan juga dapat menghitung laju aliran air dalam sistem perpipaan
6.3
ORIFICEMETER Orificemeter dapat digunakan untuk mengukur aliran sungai dimana lokasi aliran sungai
melewati gorong-gorong dan.mengontrol aliran banjir dalam sebuah struktur bendungan dengan sistem kerjanya adalah sebagai beikut: 12
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup 1. Plat orifice disimpan di seberang sungai 2. Air akan mengalir melalui plat tersebut sebagai lubang yang cukup besar dari aliran normal cross 3. Jika banjir sedang naik, laju aliran banjir akan keluar dari plat dan kemudian hanya akan melewati aliran yang ditentukan oleh dimensi fisik lubang tersebut. 4. Arus akan muncul kembali pada bagian belakang bendungan yang rendah dalam reservoir sementara dan secara perlahan akan dibuang melalui mulut dari orificemeter tersebut ketika banjir sudah surut.
VII.
KESIMPULAN Dari analisis di atas, dapat disimpulkan bahwa: 1. Hydraulic Bench dapat mengukur debit aktual dengan sistem kesetimbangan yang massa debit air sama dengan tiga kali massa beban jika tuas berada pada posisi setimbang setelah diberi beban (MA = 3MB) 2. Pada percobaan ini, kita menghitung suhu rata-ratanya. Dengan suhu ini kita dapat 0
0
mengetahui massa jenis air dengan cara meregresikan data suhu dari 0 C -100 C (sebagai sumbu x) dan densitas dari masing-masing suhu (sebagasi sumbu y) sehingga muncul persamaan untuk mencari densitas dari suhu rata-rata. 3. Kita dapat menghitung debit aktual (Qaktual) dengan membagi volume air dengan waktu rata-rata (Qaktual = Volume air / t rata-rata), dan volume air tersebut didapatkan dari hasil pembagian antara massa air dengan massa jenis air. (Vair = Mair /
air )
4. Biasanya hasil perhitungan Qaktual lebih kecil dibandingkan Qteoritis (Qaktual < Qteoritis) 5. Ketidakakuratan hasil perhitungan dapat disebabkan oleh ketidaktepatan penggunaan stopwatch dan pemberian beban oleh praktikan dan faktor dari alat itu sendiri seperti kotoran dalam pipa yang menyebabkan terjadinya gesekan antara fluida dengan pipa dan belokan pada pipa yang mempengaruhi laju aliran fluida.
13
Praktikum 3 – Alat Ukur Debit Saluran Tertutup VIII.
DAFTAR PUSTAKA
Giles, Ranald V. 1996. Seri Buku Schaum, Mekanika Fluida dan Hiraulika. Jakarta: Erlangga. http://answers.yahoo.com/question/index?qid=20101024011746AAPJAOd 26 Oktober 2013. 20:30 http://instrumentationandcontrollers.blogspot.com/2011/01/how-to-measure-flow-using-orificemeter.html 26 Oktober 2013. 20:25 http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=Qh 9m9Uev5_6FuM&tbnid=zypBbKFd9Mja0M:&ved=&url=http%3A%2F%2Finstrumentationand controllers.blogspot.com%2F2011%2F01%2Fhow-to-measure-flow-using-orificemeter.html&ei=nSdtUvShL8S0iQfOn4CgAg&bvm=bv.55123115,d.aGc&psig=AFQjCNEzdJda 83yF5H0SWNkPwpOiR8UkXg&ust=1382971678413724 26 Oktober 2013. 20:35 http://www.scribd.com/doc/89575009/Alat-Ukur-Debit-Saluran-Tertutup-Baru 26 Oktober 2013. 21:45 Steerter, Victor L. & E. Benjamin Wylie. 1999. Mekanika Fluida Edisi Delapan Jilid I . Jakarta: Erlangga.
14
