LAPORAN R-LAB Disipasi Kalor Hot Wire

Nama : Ayu Sabrina

NPM : 0906640734

Fakultas : Teknik

Departemen : Teknik Kimia

Kode Praktikum : KR01

Tanggal Praktikum : 23 Februari 2010

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD)

Universitas IndonesiaDepok

DISIPASI KALOR HOT WIRE

KR01

I. Tujuan Percobaan

Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.

II. Peralatan

1. Kawat pijar (Hotwire)

2. Fan

3. Voltmeter dan Ampmeter

4. Adjustable power supply

5. Camcorder

6. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

III. Landasan Teori

III.1 Teori Tambahan

Perkembangan teknologi yang cepat dalam peralatan penyensoran

telah memungkinkan berbagai pengukuran aliran fluida dilakukan dengan

berbagai sensor yang memberikan hasil-hasil yang dapat dikatakan cukup

akurat. Untuk pengukuran berbagai aliran turbulen, salah satu jenis sensor

yang banyak digunakan adalah hotwire anemometer. Sebelum dapat

digunakan, hotwire jenis ini harus terlebih dahulu dikalibrasi yang menyatakan

suatu hubungan antara tegangan kawat dengan kecepatan angin. Jika

persamaan ini telah diperoleh, maka setiap informasi mengenai kecepatan

dalam percobaan i ni dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan

tersebut.

Ada beberapa persamaan yang dapat digunakan dalam melakukan

kalibrasi, antara lain simple power-law dan extended power-law. Setiap

persamaan tersebut memiliki keakuratan yang dihubungkan dengan grafik

pada setiap percobaan. Keakurasian persamaan respon kalibrasi tersebut

ditentukan oleh nilai optimum konstanta pangkat yang dipilih untuk

menghasilkan sebuah kurva yang baik. Banyak peneliti memiliki anggapan

yang berbeda mengenai nilai maksimum ini.

Ada yang berpendapat bahwa extended power-law memiliki nilai yang

lebih akurat dibandingkan dengan simple power-law. Namun, ada juga

pendapat beberapa peneliti yang berpendapat sebaliknya. Mempertimbangkan

permasalahan pemilihan persamaan respon kalibrasi untuk rentang kecepatan

keluar yang berbeda-beda, maka pemilihan persamaan akurasi dapat

menguunakan metode look table.

III.1.1 Single Normal Hot Wire Probe

Single normal probe adalah suatu tipe hotwire probe yang paling

umum digunakan sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan

aliran dalam arah aksial saja. Probe jenis ini terdiri dari sebuah kawat logam

pendek yang halus yang disatukan pada dua prong nikel atau baja yang

dipanasi dengan arus listrik dan bekerja berdasarkan prinsip perpindahan

panas konveksi. Jumlah perpindahan panas yang diterima oleh probe

dinyatakan dengan overheat ratio yang dirumuskan sebagai:

Dimana Rw adalah resistansi kawat pada temperatur pengoprasian dan Ra

adalah resistansi dingin pada temperatur ambient. Dari hambatan yang ada,

maka akan berkaitan dengan hubungan energi listrik. Persamaan ini dituliskan

sebagai:

Dimana w adalah energi listrik, V adalah tegangan listrik, I adalah arus listrik

yang mengalir pada rangkaian, dan adalah waktu. Bila probe dihembuskan

udara maka akan merubah nilai resistansi kawat sehingga merubah besarnya

arus listrik yang mengalir. Semakin cepat udara yang mengalir maka

perubahan maka perubahan nilai resistansi juga semakin besar dan arus listrik

juga berubah.

III.1.2. Sistem Hotwire Anemometer dan Spesifikasi Single Normal Hot Wire ProbeSistem hot wire anemometer memiliki spesifikasi khusus seperti

menggunakan single normal hotwire probe. DISA 55M01 main unit, 55M11

CTA booster adapter, dan 55M05 power pack. Probe yang digunakan

dioperasikan dalam suatu mode temperatur konstan untuk menyediakan respon

frekuensi yang lebih tinggi. Dalam mode temperatur konstan, resistansi kawat,

Rw dipertahankan konstan ntuk memfasilitasi respon instantaneous dari

inersia termal sensor terhadap berbagai perubahan dalam kondisi aliran.

Gambar 1 Single Normal Hot Wire Sensor

III.1.3 Persamaan Respon Kalibrasi

III.1.3.1 Persamaan Simple Power LawPersamaan ini dirumuskan sebagai:

Dimana A dan B merupakan konstanta-konstanta kalibrasi, E adalah tegangan

kawat, yang dapat juga dituliskan sebagai V, n merupakan konstanta pangkat,

dan U merupakan komponen kecepatan aksial.

III.1.3.2 Persamaan Extended Power LawPersamaan ini dirumuskan sebagai:

Dimana A,B, dan C adalah konstanta-konstanta kalibrasi dan n=0,5.

III.2 Teori PercobaanSingle normal probe adalah suatu tipe hotwire yang paling banyak

digunakan sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dalam

arah axial saja. Probe seperti ini terdiri dari sebuah kawat logam pendek yang

halus yang disatukan pada dua kawat baja. Masing masing ujung probe

dihubungkan ke sebuah sumber tegangan. Energi listrik yang mengalir pada

probe tersebut akan didispasi oleh kawat menjadi energi kalor. Besarnya

energi listrik yang terdisipasi sebanding dengan tegangan, arus listrik yang

mengalir di probe tersebut dan lamanya waktu arus listrik mengalir.

Bila probe dihembuskan udara maka akan merubah nilai resistansi

kawat sehingga merubah besarnya arus listrik yang mengalir. Semakin cepat

udara yang mengalir maka perubahan nilai resistansi juga semakin besar dan

arus listrik yang mengalir juga berubah. Jumlah perpindahan panas yang

diterima probe dinyatakan oleh overheat ratio yang dirumuskan sebagai:

Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan

udara).  

Ra= resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).

Hot wire probe harus dikalibrasi untuk menentukan persamaan yang

menyatakan hubungan antara tegangan kawat (wire voltage, E) dengan

kecepatan referensi (reference velocity, U) setelah persamaan diperoleh,

kemudian informasi kecepatan dalam setiap percobaan dapat dievaluasi

menggunakan persamaan tersebut. Persamaan  yang didapat  berbentuk

persamaan linear atau persamaan polinomial.

Pada percobaan yang akan dilakukan yaitu mengukur tegangan kawat  pada

temperatur ambient dan mengukur tegangan kawat bila dialiri arus udara

dengan kecepatan yang hasilkan oleh fan. Kecepatan aliran udara oleh fan akan

divariasikan melalui daya yang diberikan ke fan yaitu 70, 110, 150, dan 190

dari daya maksimal 230 m/s.

IV. Prosedur Percobaan

Eksperimen ini dilakukan dalam media Rlab. Setelah masuk di halaman Rlab,

prosedur yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Mengaktifkan WebCam (meng-klik icon video pada halaman

web r-Lab)

2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s, dengan

meng”klik”

pilihan drop down pada icon “atur kecepatan aliran”.

3. Menghidupkan motor penggerak kipas dengan meng”klik”

radio button

pada icon “menghidupkan” power supply kipas.

4. Mengukur tegangan dan drus listrik di kawat hot wire dengan

cara

mengklik icon “ukur”.

5. Mengulangi langkah 2 hingga 4 untuk kecepatan 70 , 110 ,

150 , 190 dan

230 m/s.

V. Hasil dan Evaluasi

1. Grafik hubungan tegangan Hotwire dengan waktu untuk tiapkecepatan aliran udara

Data pengukuran tegangan dan kuat arus dengan kecepatan

angin 0 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

1 2.112 56.5

2 2.112 55.6

3 2.112 55.7

4 2.112 55.8

5 2.112 55.8

6 2.112 55.9

7 2.112 56.0

8 2.112 56.0

9 2.112 55.9

10 2.112 55.9

Data pengukuran tegangan dan kuat arus pada kecepatan

angin 70 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

1 2.051 58.9

2 2.053 57.8

3 2.054 58.0

4 2.052 57.9

5 2.053 57.6

6 2.053 57.3

7 2.052 56.6

8 2.052 56.0

9 2.054 55.4

10 2.055 54.9

Data pengukuran tegangan dan kuat arus pada kecepatan

angin 110 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

1 2.033 54.3

2 2.034 54.6

3 2.034 55.2

4 2.034 55.7

5 2.034 56.5

6 2.036 57.3

7 2.035 58.0

8 2.036 58.3

9 2.034 58.6

10 2.035 58.7

Data pengukuran tegangan dan kuat arus pada kecepatan

angin 150 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

1 2.037 54.5

2 2.028 54.4

3 2.027 55.3

4 2.026 56.8

5 2.027 58.5

6 2.026 59.1

7 2.026 58.2

8 2.027 56.6

9 2.027 55.3

10 2.027 54.6

Data pengukuran tegangan dan kuat arus pada kecepatan

angin 190 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

12.022 54.5

22.022 54.6

32.022 55.1

42.022 55.9

52.022 56.8

62.023 57.7

72.022 58.6

82.023 58.9

92.022 59.3

102.023 59.2

Data pengukuran tegangan dan kuat arus pada kecepatan

angin 230 m/s

WAKTU (S) V-HW I-HW

12.020 59.1

22.020 59.0

32.020 59.4

42.020 58.4

52.021 56.9

62.020 55.7

72.020 54.8

82.019 54.6

92.018 54.6

102.018 54.8

2. Grafik hubungan Tegangan Hotwire dengan

Kecepatan aliran angina

No Kecepatanangin

(m/s) /x

Rata-rata nilai tegangan / y

1 0 2.112

2 70

3 110

4 150

5 190

6 230

3. Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari

tegangan Hotwire

Persamaan didefinisikan dengan rumus umum y = mx + b.

Dari seluruh data

pengukuran tegangan dan kuat arus pada tiap kecepatan

angin, maka

didapatkan data selengkapnya

4. Analisis Percobaan, Hasil, dan Grafik

a. Analisis Percobaan

Percobaan “Disipasi Kalor Hot Wire” yang dilakukan dengan

menggunakan sistem R-Lab (Remote Laboratory) ini dimulai dengan

mengaktifkan Web cam, yaitu dengan mengklik icon video yang ada pada

halaman R-Lab. Hal ini harus dilakukan agar dalam menjalankan praktikum,

alat peraga yang ditampilkan benar-benar berada dalam

kondisi siap untuk dipakai. Selain itu, dengan mengaktifkan Web cam, dapat

menghindarkan kita dari kesalahan-kesalahan yang diakibatkan oleh prosedur

kerja yang tidak dikerjakan secara benar (seperti diharuskan untuk menunggu

sampai alat peraga yang ditampilkan menunjukkan angka nol). Jika kita tidak

mengaktifkan web cam, maka

percobaan kita rentan salah, sehingga daa yang diambil akan mengalami

kesalahan yang berlanjut pada kesalahan dalam pengolahan data maupun 15

hasilnya, yaitu didapat suatu nilai yang bukan merupakan nilai yang

sebenarnya, sehingga kita diharuskan untuk mengulang percobaan.

Setelah mengaktifkan web cam, hal yang dilakukan selanjutnya adalah

memberikan aliran udara sebesar 0 m/s, yaitu dengan mengklik pilihan drop

down yang ada pada icon “atur kecepatan aliran”. Hal ini dilakukan untuk

memastikan bahwa aliran udara yang diberikan adalah sebesar 0 m/s, sehingga

kesalahan dalam pengambilan data tidak terjadi dalam percobaan kali ini.

Kemudian, setelah menyetel kecepatan aliran sebesar 0 m/s, motor

penggerak kipas harus dinyalakan. Hal ini dilakukan untuk menggerakkan

kipas agar berputar, dan menghasilkan kecepatan sebesar 0 m/s (walaupun pada

kenyataannya kipas tidak bergerak). Untuk menggerakkan motor kipas, kita

harus mengklik radio button pada icon “menghidupkan power supply kipas”.

Jika kita tidak mengklik radio button tersebut, maka secara otomatis kipas tidak

akan berputar dan menghasilkan kecepatan yang kita inginkan, sehingga

percobaan mengalami kegagalan, yang mengakibatkan data yang diambil juga

mengalami kesalahan.

Untuk mengukur tegangan dan arus listrik di kawat hot wire, kita bisa

melakukannya dengan mengklik icon “ukur”. Setelah mengklik tombol “ukur”

maka akan terjadi pergerakan kipas dan perubahan tegangan. Setelah

menunggu selama beberapa detik, maka akan muncul data yang meliputi

waktu, kecepatan aliran, tegangan, dan arus yang dihasilkan. Percobaan

dilanjutkan dengan mengubah kecepatan aliran menjadi 70, 110, 150, 190, dan

230 m/s, dengan prosedur yang sama seperti prosedur di atas.

b. Analisis Hasil

Data yang diperoleh dari percobaan ini meliputi waktu, kecepatan,

tegangan, dan arus yang merupakan data yang telah dicetak oleh sistem.. Dari

data yang terlihat, terdapat beberapa data yang tidak berada dalam suatu

kecenderungan untuk berada dalam satu nilai. Selisih data yang keluar dari

kecenderungan untuk berada dalam satu nilai itu memang tidak terlalu jauh.

Akan tetapi, data tersebut merupakan data yang kurang baik, yang dapat

mengakibatkan hasil yang diperoleh tidak akurat. Dalam menganalisis data ini,

praktikan tidak dapat menganalisis penyebab secara fisis, apa-apa yang

menyebabkan timbulnya nilai-nilai yang keluar dari kecenderungan tersebut,

karena praktikan tidak melakukan percobaan secara langsung.

c. Analisis Grafik

Pada percobaan ini, terdapat tujuh buah grafik, yaitu enam buah grafik

yang menghubungkan waktu dengan tegangan untuk tiap-tiap kecepatan aliran

udara, sedangkan satu grafik yang lain merupakan grafik yang menghubungkan

tegangan dengan kecepatan aliran udara. Dari ke-enam grafik yang merupakan

grafik tegangan vs waktu, bisa terlihat bahwa terdapat simpangan yang cukup

jauh untuk kecepatan aliran udara dari 70 m/s sampai dengan 230 m/s. Akan

tetapi, hal ini hanya dikarenakan skala pada sumbu y yang digunakan dalam

grafik ini sangat kecil, sehingga grafik yang ditampilkan “seolah-olah”

memiliki simpangan yang besar. Jika kita memperbesar skala pada sumbu y,

maka grafik yang dihasilkan hampir berbentuk garis lurus yang sejajar dengan

sumbu x. Simpangan yang terjadi ini, dikarenakan kumpulan data yang

dihasilkan, ada sebagian data yang keluar dari kecenderungan, sebagaimana

seperti yang telah dijelaskan pada analisis data di atas.

Pada grafik yang menggambarkan hubungan antara kecepatan aliran

dengan tegangan, dapat terlihat bahwa kecepatan aliran udara berbanding

terbalik dengan tegangan. Hal ini dapat terlihat dari persamaan grafik yang di

dapat dari metode least square yaitu:

y = -2297.016x + 4831.20

Pada persamaan grafik di atas, gradiennya bernilai negatif, sehingga grafik

akan terus turun seiring dengan bertambahnya tegangan (kecepatan aliran udara

berbanding terbalik dengan tegangan). Persamaan y = -2297.016x + 4831.20

didapat dengan menggunakan metode least-square, untuk membuat persamaan

umum grafik tersebut dengan jarak simpangan yang sangat kecil. Gradien (m)

dan nilai konstanta (b), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

M=n

Dengan x pada kasus ini adalah tegangan, dan y adalah kecepatan aliran angin. Kesalahan

yang didapat dengan menggunakan least-square ini dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan, dengan δy Didapatkan hasil bahwa δm adalah 481.531, dan δb adalah 986.68.

Hasil ini merupakan kesalahan yang didapat dengan menggunakan metode least square.

VI. Kesimpulan

1. Single normal probe hot-wire merupakan salah satu jenis hotwire yang

umumnya banyak digunakan sebagai sensor untuk memberikan informasi

kecepatan aliran ( fluida) dengan menghubungkan kedua ujung probe

dengan sumber tegangan.

2. Besarnya energi listrik yang terdisipasi sebanding dengan tegangan, arus

listrik yang mengalir di probe tersebut dan lamanya waktu arus listrik

mengalir. (P = v i >t)

3. Semakin cepat udara yang mengalir maka perubahan nilai resistansi juga

semakin besar dan arus listrik yang mengalir juga berubah

4. Jumlah perpindahan panas yang diterima probe dinyatakan oleh overheat

ratio yang dirumuskan sebagai :

Overheat Ratio =

Rw = resistansi kawat pada temperatur pengoperasian (dihembuskan

udara).

Ra = resistansi kawat pada temperatur ambient (ruangan).

VII. Referensi

Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third

Edition, Prentice

Hall, NJ, 2000.

Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th

Edition, Extended

Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.

Kanginan, Marthen; Seribu Pena Fisika SMA, Erlangga, Jakarta,

2005,

Link RLab

http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01

IX. LAMPIRAN

Tabel Data Eksperimen

No Waktu Kec Angin V- HW I-HW

1 1 0 2.112 56.52 2 0 2.112 55.63 3 0 2.112 55.74 4 0 2.112 55.85 5 0 2.112 55.86 6 0 2.112 55.97 7 0 2.112 56.08 8 0 2.112 56.0

9 9 0 2.112 55.910 10 0 2.112 55.911 1 0 2.112 54.812 2 0 2.112 54.413 3 0 2.112 54.214 4 0 2.112 54.115 5 0 2.112 53.916 6 0 2.112 53.917 7 0 2.112 53.918 8 0 2.112 53.919 9 0 2.112 53.920 10 0 2.112 53.921 1 70 2.051 58.922 2 70 2.053 57.823 3 70 2.054 58.024 4 70 2.052 57.925 5 70 2.054 57.626 6 70 2.053 57.327 7 70 2.053 56.628 8 70 2.052 56.029 9 70 2.054 55.430 10 70 2.055 54.931 1 110 2.033 54.332 2 110 2.034 54.633 3 110 2.034 55.234 4 110 2.034 55.735 5 110 2.034 56.536 6 110 2.036 57.337 7 110 2.035 58.038 8 110 2.036 58.339 9 110 2.034 58.640 10 110 2.035 58.741 1 150 2.027 54.542 2 150 2.028 54.443 3 150 2.027 55.344 4 150 2.026 56.845 5 150 2.027 58.546 6 150 2.026 59.147 7 150 2.026 58.248 8 150 2.027 56.649 9 150 2.027 55.350 10 150 2.027 54.651 1 190 2.022 54.552 2 190 2.022 54.653 3 190 2.022 55.154 4 190 2.022 55.955 5 190 2.022 56.856 6 190 2.023 57.757 7 190 2.022 58.658 8 190 2.023 58.959 9 190 2.022 59.360 10 190 2.023 59.261 1 230 2.020 59.162 2 230 2.020 59.063 3 230 2.020 59.464 4 230 2.020 58.465 5 230 2.021 56.966 6 230 2.020 55.7

67 7 230 2.020 54.868 8 230 2.019 54.669 9 230 2.018 54.670 10 230 2.018 54.8