LANDASAN TEORI 2.1 Fluida Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara terus-menerus bila terkena tegangan geser. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan. Tegangan geser pada suatu titik adalah nilai batas perbandingan gaya geser terhadap luas dengan berkurangnya luas hingga menjadi titik tersebut. Suatu zat cair ditempatkan di antara dua buah plat sejajar, dengan jarak antara yang kecil dan besar sedemikian luasnya sehingga keadaan pada tepi-tepi plat dapat diabaikan. Plat bawah terpasang tetap dan suatu gaya F ditetapkan pada plat atas, yang mengerahkan tegangan geser F/A pada zat apapun yang terdapat di antara plat-plat. A ialah luas plat atas satuannya (m2). Bila gaya F menyebabkan plat bergerak dengan suatu kecepatan (bukan nol) satuannya (N), betapapun kecilnya F, maka kita dapat menyimpulkan bahwa zat di antara kedua plat tersebut adalah fluida. Termasuk fluida adalah air, gas dan zat padat. Aliran (flow) fluida ada tiga macam yaitu : 1. Kecepatan fluida mengalir (m/s), 2. Debit (banyaknya volume) fluida mengalir per satuan waktu (l/dtk), 3. Jumlah (volume) fluida yang mengalir untuk selang waktu tertentu (liter, galon). Jenis alat ukur aliran (flow) sebenarnya sangat banyak, pada dasarnya dapat dibagi menjadi tiga bagian besar yaitu : 1. Head Flow Meter, 2. Area Flow Meter, 3. Positive Displacement Meter.

Universitas Sumatera Utara

Ketiga jenis alat ukur aliran aliran (flow) ini memiliki cara kerja yang berbeda pula. Beberapa macam dari masing-masing jenis alat ukur aliran (flow) akan dibahas pada bagian berikut. 2.1.1 Head Flow Meter Dipakai untuk mengukur aliran fluida dalam suatu pipa dengan head flow meter, maka dengan itu dipasang suatu penghalang dengan diameter lubang yang lebih kecil dari diameter pipa, sehingga tekanan maupun kecepatannya berubah. Dengan mengukur perbedaan tekanan antara sebelum dan sesudah penghalang dapat ditentukan besarnya aliran fluida. Beberapa aliran (flow) meter di bawah ini merupakan pengukuran aliran jenis Head Flow Meter, yaitu : a. Tabung Venturi b. Flow Nozzle c. Plat Orifice d. Tabung Pitot Sebelum membahas keempat Flow Meter ini, akan dibahas lebih dahulu hubungan antara perbedaan tekanan dan kecepatan aliran yang menjadi cara kerja dari Head Flow Meter. Pada Gambar 2.1 terlihat suatu aliran fluida melalui pipa dengan luas penampang di bagian masukan (input) lebih besar dari bagian keluaran (output). Misalnya kecepatan, tekanan dan luas penampang di bagian input adalah V1, P1 dan A1 sedangkan di bagian output adalah V2, P2 dan A2.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Aliran fluida melalui saluran mengecil Di sini berlaku persamaan kontinuitas, di mana banyaknya fluida yang masuk sama dengan banyaknya fluida yang keluar, dapat dilihat pada persamaan 2.1. V1 x A1 = V2 x A2 ...........................................(2.1) Dengan menganggap bahwa kecepatan fluida pada seluruh penampang sama, maka berlaku persamaan Bernouli : P1 + V12 = P2 + V22 ..................................(2.2) Di mana : P = Tekanan fluida (N/m2) V = Kecepatan aliran (m/s) = Massa jenis fluida (m3/s2) Jadi terlihat di sini bahwa dengan mengukur perbedaan tekanan (P1-P2) dapat ditentukan besarnya laju aliran. Tetapi biasanya dalam praktek, persamaan di atas masih harus dikoreksi dengan koefisien yang disebut koefisien discharge (discharge coefficient). Koefisien discharge ini tidak konstan dan besarnya ditentukan dari kerugiankerugian gesekan akibat kekasaran bagian dalam pipa, bentuk geometri dari saluran dan bilangan Reynold. Aliran turbulen mempunyai bilangan Reynold yang lebih tinggi dari 2000, sedangkan aliran laminar mempunyai bilangan Reynold yang lebih rendah (kurang dari 2000). Agar dapat mengetahui bilangan Reynold untuk aliran dalam pipa diberikan persamaan :

Universitas Sumatera Utara

Rd =Di mana : v D Rd

vD ..............................................(2.3)

= Massa jenis fluida (kg/m3) = Kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) = Diameter pipa (m/s2) = Bilangan Reynold = Permeabilitas (H/m)

a.

Tabung Venturi Tabung Venturi mempunyai bentuk seperti pada Gambar 2.2. Pada sekeliling pipa

sering dibuat lubang-lubang yang jalan keluarnya dijadikan satu dan dihubungkan dengan pengukuran tekanan disebut cincin piezometer. Dengan demikian tekanan yang diukur merupakan tekanan rata-rata sehingga pengukuran menjadi lebih teliti.

Gambar 2.2 Tabung Venturi

Kemiringan dibagian input kira-kira sebesar 30 sedangkan dari bagian output lebih kecil, yaitu antara 3 sampai 15. Perbandingan diameter antara leher dan pipa terletak antara 0,25 mm sampai 0,50 mm. Hasil pengukuran aliran dengan menggunakan

Universitas Sumatera Utara

Tabung Venturi ini merupakan pengukuran yang paling teliti bila dibandingkan dengan Head Flow Meter yang lain, tetapi paling mahal harganya. Karena bagian leher ini dibuat sebagai unit tersendiri agar mudah diganti. b. Flow Nozzle Flow Nozzle mempunyai bentuk yang lebih sederhana bila dibandingkan dengan Tabung Venturi, seperti terlihat pada Gambar 2.3.

(a) Gambar 2.3 Flow Nozzle

(b)

Tap (lubang pengukur tekanan) pada Flow Nozzle ini diletakkan kira-kira pada jarak satu kali diameter pipa (1 x D) di muka bagian input dan setengah diameter pipa ( x D) di belakang bagian output seperti terlihat pada Gambar 2.3 (a) atau tepat di bagian outputnya, serta tergantung pada pabrik pembuatannya seperti terlihat pada Gambar 2.3 (b). Flow Nozzle ini mempunyai ketelitian yang lebih rendah bila dibandingkan dengan Tabung Venturi, juga harganya lebih murah. Berbeda dengan Tabung Venturi

Universitas Sumatera Utara

yang dalam pemasangannya menggunakan pipa saluran, maka pemasangan Flow Nozzle dapat dilaksanakan tanpa mengganggu sambungan pipa. c. Plat Orifice Plat Orifice merupakan aliran yang paling murah, paling mudah pemasangannya, tetapi keakuratannya kurang baik di antara pengukuran-pengukuran aliran jenis Head Flow Meter. Plat Orifice merupakan plat berlubang dengan pinggiran yang tajam. Plat ini terbuat dari bahan-bahan yang kuat. Selain terbuat dari logam, ada juga orificenya yang terbuat dari plastik agar tidak dipengaruhi oleh fluida yang mengalir, erosi atau korosi. Macam-macam tipe Plat Orifice dapat dilihat pada Gambar 2.4.

(a) Concentric

(b) Eccentric

(c) Segmental

Gambar 2.4 Tipe-tipe Plat Orifice

Plat Orifice tipe eksentris dan segmental digunakan untuk mengukur aliran yang mengandung bahan-bahan padat. Bila digunakan Plat Orifice tipe konsentris, timbul endapan-endapan benda padat yang akan mengganggu pengukuran. Demikian juga lubang kecil yang terletak pada bagian bawah, dibuat sedemikian rupa agar kesalahan pengukuran dapat diperkecil, yaitu untuk mengalirkan fluida akibat kondensasi agar tidak berkumpul pada Plat Orifice yang dapat mengganggu pengukuran aliran fluida. Untuk

Universitas Sumatera Utara

aliran fluida udara yang terjebak dialirkan dengan memberi lubang kecil di bagian atas. Pemasangan tap (lubang) pengukuran untuk Plat Orifice ada beberapa macam, yaitu : a. Tap Vena Contracta b. Tap Flange c. Tap Pipa Tap pertama dari Tap Vena Contracta diletakkan pada jarak 1 x D sebelum orifice sedangkan tap kedua pada Vena Contracta. Vena adalah tempat di mana luas aliran mencapai minimum, sehingga tekanannya paling kecil seperti terlihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Vena Contracta

Oleh karena letaknya tergantung kepada diameter pipa dan diameter orifice maka pemasangan tap kedua ini akan berbeda untuk pipa dan orifice yang berbeda. Keuntungan dari Tap Vena Contracta adalah bahwa pengukurannya lebih teliti, karena mendapat tekanan diferensial yang lebih besar. Kerugiannya ialah bahwa tap harus dipasang pada pipa dengan tepat pada tempat Vena Contracta. Tap Flange diletakkan simetris di kiri dan kanan orifice kira-kira sejauh sati inci. Keuntungan cara ini adalah tap-tapnya dapat dipasang menjadi satu bagian dengan

Universitas Sumatera Utara

Flange pipa tanpa mengganggu. Pipa dan Plat Orifice dapat digantikan tanpa harus mengubah letak tap. Kerugiannya adalah hasil pengukuran yang kurang teliti, karena terdapat beda tekanan yang kecil. Pemasangan Tap Flange dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Tap Flange

Tap pertama dari Tap Pipa diletakkan sejauh 2 x D sebelum orifice sedangkan tap kedua sejauh 8 x D sesudah orifice, seperti terlihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Tap Pipa

Tekanan diferensial yang diukur kecil sekali karena hanya menyatakan rugi tekanan oleh Plat Orifice. Agar pengukuran aliran dengan menggunakan Plat Orifice dapat dilakukan dengan ketelitian yang tinggi maka di dekat tap-tap, tekanan tidak boleh mengalami gangguan. Ganguan-gangguan ini dapat terjadi bila di dekat tap ini terdapat fitting seperti sambungan pipa, belokan, katup, regulator, pompa dan lain-lain. Umumnya daerah sejauh 5 m sebelum orifice sampai 20 m sesudah orifice harus bebas dari fittingfitting. Angka-angka ini bisa tergantung pada perbandingan diameter dan tipe fitting yang berbeda dari kiri ke kanan orifice.

Universitas Sumatera Utara

d.

Tabung Pitot Tabung Pitot berbeda dengan ketiga Head Flow Meter yang telah diterangkan

sebelumnya untuk mengukur debit atau laju aliran, maka Tabung Pitot ini merupakan pengukuran untuk kecepatan fluida mengalir. Prinsip kerjanya hampir sama dengan penghalang yang lain. Dapat dilihat pada Gambar 2.8 Tabung Pitot denga Manometer di bawah ini.

Gambar 2.8 Tabung Pitot dengan Manometer

Tabung Pitot yang dipasang di dalam aliran fluida dengan mulut menghadap arah aliran fluida. Untuk mengukur perbedaan tekanan (P2-P1) sehingga kecepatan fluida langsung dapat diketahui. Keuntungan dari Tabung Pitot adalah pengukuran yang tidak hanya dapat dilakukan dalam pipa-pipa tertutup tetapi juga dalam saluran terbuka. Kerugiannya adalah tidak dapat dipakai untuk mengukur kecepatan fluida yang mengandung benda-benda padat, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.9 Tabung Pitot yang mempunyai tap-tao sendiri di bawah ini.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.9 Tabung Pitot yang mempunyai tap-tap tersendiri

Tabung Pitot yang mempunyai tap-tap tersendiri, di mana kedua tapnya merupakan bagian dari Tabung Pitot itu sendiri, sehingga tidak mengganggu (melubangi) pipa saluran. Dalam pengukuran menggunakan Head Flow Meter ada 5 faktor yang mempengaruhi pengukuran fluida, antara lain adalah : a. Kerapatan (densitas) dari cairan. b. Temperatur. c. Tekanan gas. d. Kekentalan (viskositas). e. Aliran yang tidak konstan. f. Kesalahan pemasangan pipa. g. Ketelitian pembuatan orifice. h. Adanya gas yang terjebak pada cairan. 2.1.2 Area Flow Meter Prinsip kerja Area Flow Meter merupakan kebalikan dari Head Flow Meter. Pada Head Flow Meter, aliran melewati saluran yang mempunyai luas tertentu terdapat

Universitas Sumatera Utara

perbedaan tekanan, sehingga dapat diketahui debit alirannya. Sebaliknya pada Area Flow Meter mempunyai skala yang linier. Rota Meter ini terdiri dari suatu kerucut yang terbuat dari gelas (kaca) atau bahan lain seperti epoxy yang transparan dan berskala dengan suatu pelampung di dalamnya. Pelampung ini terbuat dari bahan-bahan yang tahan karat terhadap fluida yang mengalir, biasanya terbuat dari stainless steel. Oleh karena adanya aliran fluida maka pelampung akan naik dalam keadaan setimbang dan akan diam pada posisi tertentu. Semakin besar alirannya maka semakin tinggi posisinya. Rota Meter harus dipasang tegak lurus (tidak boleh lebih miring dari 2). Berat pelampung diimbangi oleh gaya ke atas oleh fluida dan gaya akibat perbedaan tekanan. Jadi dalam keadaan setimbang pelampung menjadi : W = P . Ap + gf . vp

P =Di mana : W vP gf P

W gf . v p Ap

........................................(2.4)

= Berat pelampung (kg) = Kecepatan pelampung (m/s) = Berat jenis fluida (kg/m3) = Beda tekanan (N/m3)

Di sini terlihat bahwa beda tekanan P tidak tergantung dari posisi pelampung. Jadi pada posisi manapun beda tekanan akan konstan. Oleh karena luas penampang kerucut berubah terhadap posisi penampang, maka luas penampang dimana fluida mengalir di sekeliling pelampung juga tergantung pada posisi penampang. Penampang

Universitas Sumatera Utara

aliran kontinuitas Bernouli, sehingga pelampung akan mengatur dirinya sendiri pada posisi dimana kedua persamaan tadi dipenuhi.

Di mana : AK = Luas penampang kerucut (m/s2) Bila ( AK AP ) 2