College Note: AREAMETER

1. Rotameter

Rotameter adalah alat yang mengukur tingkat aliran cair atau gas dalam tabung tertutup. Ini termasuk dalam kelas meter yang disebut variabel area meter, yang mengukur berbagai laju aliran luas penampang fluida yang bergerak melaluinya, menyebabkan beberapa efek yang dapat diukur. Sebuah rotameter terdiri dari tabung runcing, biasanya terbuat dari kaca, dengan pelampung di dalamnya yang didorong oleh aliran dan ditarik ke bawah oleh gravitasi. Pada tingkat aliran tinggi yang melalui float dan tabung, float akan terbawa dan mengambang keatas Float dibuat dalam beberapa bentuk, bentuk yang paling umum yaitu bulat dan elips agar dapat berputar secara vertikal ketika dilalui fluida. Gaya dan jarak angkat dari pelampung sebanding dengan laju aliran. Gaya angkat ini dihasilkan oleh tekanan diggerensial yang menekan pelampung hingga naik ke atas yang dinamakan area meter karena letak ketinggian pelampung itu bergantung pada luas bidang annulus diantara pelampung dan tabung gelas tirus itu. Pelampung akan naik dan menunjukkan pada skala pengukuran dengan satuan yang diketahui.

Berbeda dengan orifice, venture dan nozzle, ketiga alat pengukur aliran fluida ini dalam alirannya melalui luas yang tetap dimana fluida mengalir, tetapi pada rotameter adalah pada tekanan yang tetap dengan aliran fluida yang berbeda-beda (variable).

Fluida mengalir ke atas melalui tabung gelas berisi float yang dapat bergerak dengan bebas. Untuk menunjukkan besarnya aliran fluida metering float naik ke atas, seperti terlihat pada gambar I. Kepala metering float menunjukkan angka 0, membuktikan bahwa valve yang terletak di bawah meteran ini belum terbuka. Rotameter bila dipasang pada pipa-pipa berukuran ¼ - 3 inci standard.

Gambar I

Keuntungan penggunaan rotameter

Sebuah rotameter tidak memerlukan tenaga atau bahan bakar eksternal, hanya menggunakan sifat-sifat yang ada pada fluida, dan juga gravitasi, untuk mengukur laju aliran.

· Sebuah rotameter juga memiliki perangkat yang relatif sederhana yang dapat diproduksi secara massal dari bahan murah, yang memungkinkan untuk digunakan secara luas.

Kerugian penggunaan rotameter

Karena menggunakan gravitasi, sebuah rotameter harus selalu berorientasi vertikal ke atas, dengan cairan yang mengalir ke atas.

· Karena ketergantungan pada kemampuan dari cairan atau gas untuk mengambang, keluaran dari rotameter tertentu hanya akan akurat untuk suatu zat.

· Rotameters biasanya memerlukan penggunaan kaca (atau bahan transparan lainnya), jika tidak, pengguna tidak dapat melihat mengambang.

Rotameters tidak mudah diadaptasi untuk pembacaan oleh mesin; walaupun pengapung magnet yang mendorong pengikut di luar tabung yang tersedia.

Prinsip kerja

Mula – mula float berada pada posisi setimbang (angka nol pada scale line) menunjukkan bahwa tidak adanya gaya yang bekerja pada float, dengan demikian tidak ada fluida yang mengalir. Ketika terjadi aliran fluida berakibat pada naiknya float ke atas akibat gaya angkat dari fluida. Pembacaan tinggi float pada scale line sebanding dengan perubahan besarnya aliran yang terjadi .

Teori dan Kalibrasi rotameter

Untuk mengukur aliran fluida dalam rotameter harus diperhatikan kesetimbangan posisis dari float dalam rotameter. Posisi Float ditentukan oleh kesetimbangannya, yaitu oleh adanya :

1) Berat dari pada float

2) Gaya fluida terhadap float

3) Gaya tarik pada float

Gaya (1) menuju ke bawah, gaya (2) dan (3) menuju ke atas.Untuk itu dapat dihitung:

F_d g_c = V_fρ_f g – V_f ρ g …..(1)

Dimana :

F_d= gaya tarik, lb

g = percepatan gravitasi 9.81 m/det² = 32.17 ft/det²

g_c= faktor konversi Newtin, 32.17 ft.lb/lb.det²

V_f= Volume float, ft³

ρ_f = density float, lb/ft³

ρ = density fluida, lb/ft³

Vf = m_f ………. m_f = massa dari float.

ρ_f

F_d g_c = m_f g (1 – ρ)

ρ_f

Menghitung rate massa fluida :

w = X [ ( F_d g_c ) ^½ . D_t] ......(2)

D_f (F_d g_c ρ ) ^½ μ D_f

Dimana :

w = rate massa fluida, lb/det

μ = viskositas fluida, lb/ft-det.

X = Fungsi

D_t= diameter tabung, ft

D_f= diameter float, ft.

Kalau persamaan (1) disubstitusikan ke dalam persamaan (2)

w = X [ ( F_d g_c ) ^½ . D_t]

D_f [m_f g ρ (1 – ρ)] ^½ μ D_f

ρ_f

Jika

w / μ = X

D_f [m_f g (1 – ρ)] ^½

ρ_f

Dan [m_f g (1 – ρ)] ^½ = Y

ρ_f

Maka dapat dibuat plot untuk D_t/ D_f yang tetap. Hubungan antara R_r dan D_t/ D_f kemudian digunakan untuk menghubungkan w dan R_r.

2. Weir

Weir adalah sebuah obstruksi yang dilalui cairan di dalam sebuah aliran terbuka. Aplikasinya banyak dipakai pada sistem pengolahan limbah, irigasi dan saluran pembuangan limbah. Pengukuran dapat dilakukan dengan mengukur kecepatan aliran dengan satuan yang umum yaitu gallon per menit (gpm) menjadi gallon per hari. Laju alir sebagai fungsi dari ketinggian head di atas cekung weir dan lebar bukaan (notch).

Secara umum ada tiga bentuk weir notch yaitu segiempat (rectangular), segitiga ( V-notch) dan trapesium (cipoletti). Weir segiempat merupakan salah satu bentuk weir yang sudah lama digunakan karena bentuknya sederhana, konstruksinya mudah dan akurat. Weir segitiga mempunyai jangkauan kapasitas yang lebih besar dan praktis dibandingkan dengan bentuk weir lainya. Weir trapesium merupakan benutuk weir yang cukup banyak digunakan. Aliran fluida proposional dengan lebar dibawah cekungan weir trapesium

Weir hanya dapat digunakan apabila liquida mengalir dalam channel terbuka, tidak dapat digunakan untuk liquida dalam pipa. Perhitungan pada aliran terbuka lebih rumit dari pada aliran dalam pipa dikarenakan:

Bentuk penampang yang tidak teratur (terutama sungai)
Sulit menentukan kekasaran (sungai berbatu sedangkan pipa tembaga licin)
Kesulitan pengumpula data di lapangan

Prinsip Kerja

Pada umumnya pengukuran aliran pada saluran terbuka menggunakan weir (bendungan) dilengakpi dengan Vernier Height Gauge (pengukur perubahan ketinggian ) yang mempunyai suatu scale line (garis pembacaan). Mula – mula posisi ujung Vernier Height Gauge tepat diatas permukaan aliran fluida dan scale line – nya menunjukkan angka nol. Ketika aliran suatu fluida melalui weir mengalami peningkatan laju, maka ketinggian dari fluida tersebut meningkat. Ketinggian dari fluida akan terbaca pada Vernier Height Gauge sehingga laju alir dari suatu fluida sebanding dengna ketinggian dari Vernier Height Gauge dengan beberapa faktor pembanding seperti kemiringan bukaan weir dan panjang puncak weir.

Tipe aliran

Tipe aliran pada saluran terbuka adalah:

1) Aliran mantap (steady flow)

· Perubahan volume terhadap waktu

· Perubahan kedalaman terhadap waktu

· Perubahan kecepatan terhadap waktu

2) Aliran merata (uniform flow)

· Besar dan arah kecepatan tetap terhadap jarak

· Aliran pada pipa dengan penampang sama

· Variabel fluida lain juga tetap

3) Aliran tidak merata (un uniform flow)

· Aliran pada pipa dengan penampang tidak merata

· Pengaruh pembendunga fluida lain juga tidak tetap

· Hidraulic jump

Pada umumnya perhitungan pada saluran terbuka hanya digunakan pada aliran tetap dan debit air Q adalah

Q = A.V

Dimana :

A adalah luas penampang melintang saluran (m²)

V adalah kecepatan rat- rata aliran (m/s)

Dan debit disepanjang saluran dianggap sama dengan kata lain aliran bersifat kontinyu:

Q = A₁.V₁ = A₂.V₂

Besarnya aliran dapat ditentukan melalui rumus :

q = 3.33 b.Z ^1.5.................(3)

Dimana :

q = volumetric flow rate liquida, ft³/det.

b = tinggi weir, ft

Z = tinggi permukaan liquida di atas weir, ft

Persamaan (3) biasanya digunakan untuk menara-menara yang besar, sedangkan untuk menara-menara yang kecil persamaannya sebagai berikut :

q = 3. b.Z ^1.4....................(4)

Rumus – rumus bendungan teoritis

Untuk bendungan segiempat,yaitu:

dimana Q = aliran dalam m³/s

c = koefisien (ditentukan dalam percobaan)

b = panjang puncak bendungan dalam meter

H = head pada bendungan daalam meter (tinggi permukaan cairan diatas puncak)

V = kecepatan pendekatan rata-rata dalam m/s

Untuk bendungan segitiga, yaitu:

Untuk bendungan trapesium, yaitu:

Q = 1,875bH^3/2

Contoh soal :

1. Selama suatu pengujian atas sebuah bendungan tertahan 2,44 m yang tingginya 914 mm headnya dipertahankan tetap pada 305 mm. Dalam 38 detik dikumpulkan air sebanyak28,73 m³ . Cariolah factor bendungan m!

Jawab :

Laju alir Q= 28,73/38 = 0,756 m³/s

V = Q/A = 0,756/(2,44x 1,219) = 0,254 m/s.

Sehingga V²/2g = (0,254)^3/2

Q = mb[(H + V²/2g)^3/2 – (V²/2g)^3/2]

0,756 = m x 2,44[(0,305 + 0,0033)^3/2-(0,0033)^3/2]

m = 1,1811 (ketelitian slide rule)

atau

Q = 0,756 = mbH^3/2= m x 2,44 x (0,305)^3/2

m = 1,839 (kira-kira 1,5% lebih tinggi dengna mengabaikan suku-suku kecepatan pendekatan)

2. Tentukanlah aliran di atas sebuah bendungan tertahan yang panjangnya 3,05 m dan tingginya 1,22 m di bawah head sebesar 915 mm. Harga m adalah 1,90

Jawab :