Upload
dwipujira
View
76
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Hot Wire (R-Lab)
Citation preview
LAPORAN PRAKTIKUM
Disipasi Kalor Hot Wire
Nama : Dwipuji Rahayu
NPM : 1306368223
Fakultas : Teknik
Departemen/Prodi : Teknik Metalurgi & Material /
Teknik Metalurgi & Material
Kode Praktikum : KR01
Tanggal Praktikum : Jumat, 21 Maret 2014
Minggu Percobaan : IV
Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar
(UPP-IPD)
Universitas Indonesia
Depok
Disipasi Kalor Hot Wire
Tujuan
Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.
Alat
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
Teori
Pemanfaatkan teknologi hot wire sebagai alat sensor pada pengukuran kecepatan
aliran udara. Alat penyensoran sendiri merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi
energi menjadi energi yang memiliki satuan. Disipasi kalor adalah energi yang hilang dari
suatu sistem dan masuk ke dalam lingkungan karena adanya gesekan, viskositas, hambatan
listrik, histerisis dalam zat magnetic, dan lain- lain. Energi disipasi adalah energi yang hilang
dalam suatu sistem. Hilang yang dimaksudkan disini adalah perubahan energi menjadi energi
lain yang tidak menjadi tujuan dari sistem tersebut. Disipasi energi merupakan energi
mekanik yang ditimbulkan oleh gerakan partikel materi dan dapat berpindah dari satu tempat
ke tempat lain disebut juga sebagai kalor.
Timbulnya energi disipasi secara alamiah tidak dapat dihindari, karena energi berubah
dengan sendirinya sehingga sulit untuk dikontrol. Hubungan kuantitatif antara kalor dan
bentuk lain suatu energi disebut dengan termodinamika. Termodinamika merupakan cabang
fisika yang berkaitan dengan hubungan antara kalor, kerja, dan bentuk lain energi serta
kesetimbangan dalam reaksi fisika dan dalam perubahan keadaan. Hukum Termodinamika I
menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi energi
dapat berubah bentuk. Pada hukum Termodinamika II membahas tentang reaksi spontan dan
tidak spontan. Reaksi spontan yaitu reaksi yang berlangsung tanpa pengaruh dari luar,
sedangkan reaksi tidak spontan tidak terjadi tanpa bantuan pengaruh di luar sistem.
Seiring berkembangnya teknologi, jumlah kalor yang hilang pada suatu sistem dapat
diketahui dengan menggunakan suatu alat. Alat ini bernama anemometer. Anemometer
adalah alat yang digunakan untuk menghitung kecepatan aliran udara. Pada umumnya,
anemometer menggunakan satuan meter per detik (m/s). Jenis-jenis anemometer ada
bermacam-macam. Salah satunya adalah anemometer thermal. Anemometer thermal adalah
salah satu jenis anemometer yang digunakan untuk menghitung kecepatan fluida (angin)
sesaat. Prinsip kerja dari anemometer thermal ini berdasarkan jumlah kalor yang berpindah
secara konvektif dari sensor ke lingkungan di sekitar sensor. Besarnya kalor yang berpindah
dari sensor ke lingkungan berhubungan langsung dengan kecepatan fluida. Bentuk
anemometer yang biasa digunakan adalah jenis Silinder (hotfilm atau hotwire). Hotwire
adalah jenis anemometer yang menggunakan kawat pijar berukuran sangat kecil yang
diberikan panas. Fungsi hotwire selain untuk menghitung kecepatan fluida juga digunakan
untuk mendeteksi temperatur. Bentuk dari hotwire adalah kawat tipis yang bersifat konduktor
dan ditempelkan pada substrat yang bersifat isolator. Sensor hotwire memiliki respon
frekuensi yang tinggi dalam mendeteksi kecepatan angin sesaat ataupun kecepatan angin rata-
rata. Bahan yang umum digunakan untuk hotwire adalah tungsten dan platina, platina-iridium
dan platian-rodium.
Single 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.
P = V I Δ t .........( 1 )
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 :
𝑶𝒗𝒆𝒓𝒉𝒆𝒂𝒕 𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐 =𝑹𝒘
𝑹𝒂
Keterangan :
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 cm/s.
Cara Kerja
Eksperimen ini dilakukan oleh praktikan dengan mengunjungi link r-lab yang terdapat
pada web sitrampil.ui.ac.id secara online dengan langkah- langkah sebagai berikut :
1. Mengaktifkan Web cam untuk melihat kerja percobaan yang ditampilkan dalam video.
2. Memberikan aliran udara dengan kecepatan 0 m/s , dengan meng”klik” pilihan drop down
pada icon “atur kecepatan aliran”.
3. Menghidupkan motor pengerak kipas dengan meng”klik” radio button pada icon
menghidupkan power supply kipas.
4. Mengukur Tegangan dan Arus 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
Tugas & Evaluasi
1. Berdasarkan data yang di dapat, membuat grafik yang menggambarkan hubungan
Tegangan Hot Wire dengan Waktu untuk tiap kecepatan aliran udara.
2. Berdasarkan pengolahan data, membuat grafik yang menggambarkan hubungan Tegangan
Hotwire dengan Kecepatan aliran angin.
3. Menentukan persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire.
4. Berdasarkan percobaan dan data yang didapat, kita dapat mengetahui apakah kawat
Hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan angin.
5. Membuat analisis dari hasil percobaan ini.
Data Pengamatan
Tabel 1. Kecepatan Aliran Udara 0 m/s
Waktu
(s)
Kec Angin
(m/s)
V-HW
(Volt)
I-HW
(Ampere)
1 0 2.112 54.1
2 0 2.112 54.4
3 0 2.112 54.4
4 0 2.112 54.2
5 0 2.112 54.0
6 0 2.112 53.9
7 0 2.112 53.9
8 0 2.112 54.0
9 0 2.112 54.2
10 0 2.112 54.4
Tabel 2. Kecepatan Aliran Udara 70 m/s
Waktu (s)
Kec Angin (m/s)
V-HW (Volt)
I-HW (Ampere)
1 70 2.065 55.4
2 70 2.066 55.3
3 70 2.065 55.3
4 70 2.064 55.3
5 70 2.067 55.2
6 70 2.069 55.2
7 70 2.067 55.1
8 70 2.065 55.1
9 70 2.066 55.0
10 70 2.067 54.9
Tabel 3. Kecepatan Aliran Udara 110 m/s
Waktu (s)
Kec Angin (m/s)
V-HW (Volt)
I-HW (Ampere)
1 110 2.048 55.7
2 110 2.047 55.8
3 110 2.047 55.7
4 110 2.047 55.4
5 110 2.047 55.0
6 110 2.048 54.8
7 110 2.048 54.6
8 110 2.047 54.5
9 110 2.047 54.5
10 110 2.047 54.6
Tabel 4. Kecepatan Aliran Udara 150 m/s
Waktu (s)
Kec Angin (m/s)
V-HW (Volt)
I-HW (Ampere)
1 150 2.040 54.7
2 150 2.039 54.8
3 150 2.039 55.0
4 150 2.039 55.4
5 150 2.040 55.5
6 150 2.040 55.8
7 150 2.039 56.0
8 150 2.039 56.0
9 150 2.040 55.9
10 150 2.039 55.7
Tabel 5. Kecepatan Aliran Udara 190 m/s
Tabel 6. Kecepatan Aliran Udara 230 m/s
Waktu
(s) Kec Angin
(m/s) V-HW (Volt)
I-HW (Ampere)
1 230 2.030 55.4
2 230 2.030 55.6
3 230 2.030 55.7
4 230 2.031 55.9
5 230 2.030 56.1
6 230 2.031 56.3
7 230 2.031 56.3
8 230 2.030 56.3
9 230 2.030 56.2
10 230 2.030 56.1
Waktu
(s)
Kec Angin
(m/s)
V-HW
(Volt)
I-HW
(Ampere)
1 190 2.035 55.3
2 190 2.035 55.5
3 190 2.035 55.6
4 190 2.035 55.7
5 190 2.035 55.9
6 190 2.035 56.0
7 190 2.035 56.1
8 190 2.035 56.2
9 190 2.035 56.1
10 190 2.035 56.1
Grafik
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 0 Volt
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 Volt
0 Volt
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 70 Volt
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 110 Volt
2.061
2.062
2.063
2.064
2.065
2.066
2.067
2.068
2.069
2.07
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
70 Volt
70 Volt
2.048
2.047 2.047 2.047 2.047
2.048 2.048
2.047 2.047 2.047
2.0464
2.0466
2.0468
2.047
2.0472
2.0474
2.0476
2.0478
2.048
2.0482
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Waktu
110 Volt
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 150 Volt
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 190 Volt
2.04
2.039 2.039 2.039
2.04 2.04
2.039 2.039
2.04
2.039
2.0384
2.0386
2.0388
2.039
2.0392
2.0394
2.0396
2.0398
2.04
2.0402
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Waktu
150 Volt
2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035 2.035
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Waktu
190 Volt
Grafik Hubungan antara Waktu dan Tegangan 230 Volt
Pengolahan Data
Berdasarkan data yang telah diperoleh di dalam percobaan maka akan bisa didapatkan
suatu persamaan linear yang menghubungkan antara besarnya kecepatan angin dan besarnya
tegangan. Persamaan itu dapat diturunkan dari rumus berikut:
𝑽 𝑰 ∆𝒕 = 𝑷
𝑽 𝑰 ∆𝒕 = 𝑭 𝒗
𝒗 = 𝑰 ∆𝒕
𝑭 𝑽
2.03 2.03 2.03
2.031
2.03
2.031
2.03 2.03 2.03 2.03
2.0294
2.0296
2.0298
2.03
2.0302
2.0304
2.0306
2.0308
2.031
2.0312
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Waktu
230 Volt
Tabel Hubungan Kecepatan Angin dengan Tegangan Hot Wire
Tegangan
(Volt)
Kecepatan Angin
(m/s)
2.1122 0
2.0652 70
2.0455 110
2.0386 150
2.035 190
2.0329 230
Dari tabel di atas dibuatlah table least square sebagai berikut :
Keterangan :
Xi : Kecepatan hot wire
Yi : Tegangan Rata-rata
Berikut adalah grafik yang menyatakan hubungan kecepatan angin terhadap fungsi
tegangan Hot Wire :
Dari grafik di atas maka didapatkan sebuah fungsi yang mengggambarkan hubungan
kecepatan angin terhadap tegangan hot wire yaitu
y = -2508x + 5280
Dari perhitungan menggunakan software regresi linear maka didapatkan nilai sesuai rumus
𝜹𝒚 = 𝟑𝟕.𝟓𝟖
𝜹𝒎 = 𝟓𝟓𝟐.𝟕𝟖𝟒
y = -2508.x + 5280.R² = 0.837
-50
0
50
100
150
200
250
2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12
Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan
Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan
Линейная (Hubungan Kecepatan Angin vs Tegangan)
Sehingga didapatkan kesalahan relatif :
𝐾𝑅 = 𝛿𝑚
𝑚 = 122%
Analisis
1. Analisis Percobaan
Percobaan disipasi kalor kawat hot wire ini bertujuan untuk menentukan apakah
kawat hot wire bisa digunakan sebagai sensor pendeteksi kecepatan aliran udara. Percobaan
dilakukan dengan secara online di link sitrampil http://sitrampil4.ui.ac.id/kr01 dengan
menggunakan alat-alat seperti fan yang berfungsi sebagai sumber angin. Percobaan ini
dilakukan dengan memberi variasi pada kecepatan angin yaitu 0 m/s, 70 m/s, 110 m/s, 150
m/s, 190 m/s, 230 m/s. Pada saat tidak ada kecepatan angin maka tegangan dan arus yang
mengalir dari sumber tegangan, besarnya masih constant karena tidak terpengaruhi oleh
kecepatan angin. Kemudian fan diatur kecepatannya mulai dari kecepatan yang paling kecil
hingga kecepatan yang paling besar. Dari pemberian variasi kecepatan angin maka tegangan
yang diperoleh dan arus ikut mengalami perubahan. Tegangan cenderung mengalami
penurunan sedangkan arus cenderung mengalami kenaikan. Dari hal ini didapat hubungan
bahwa tegangan berbanding terbalik dengan kecepatan angin dan arus berbanding lurus
dengan kecepatan angin. Hal ini dapat terjadi karena angin yang dihasilkan kipas
mempengaruhi resistansi dari kawat hot wire yang selanjutnya mempengaruhi arus dan
tegangan hot wire. Ketika udara dihembuskan maka ada gaya F dengan kecepatan v yang
bekerja pada kawat hot wire dalam waktu 10 detik. Besar kecilnya resistansi inilah yang
mempengaruhi besarnya nilai kuat arus dan tegangan. Selain itu, fluktuasi tegangan juga
dapat terjadi karena kecepatan angin yang berasal dari kipas tidaklah langsung menuju
kecepatan yang diinginkan, kecepatan itu mengalami percepatan dahulu sebelum mencapai
kecepatan yang diinginkan Hal inilah juga yang menyebabkan mengapa dalam kecepatan
yang sama pun dapat terjadi fluktuasi tegangan. Sebuah kawat yang dihubungkan dengan
sumber tegangan akan didisipasi menjadi energi kalor.
2. Analisis Hasil dan Pengolahan Data
Dari percobaan ini didapatkan hasil hubungan kecepatan angin terhadap tegangan
yang dihasilkan oleh kawat hot wire merupakan sebuah grafik lurus dengan persamaan Y = -
2508x + 5280 dengan x sebagai variable tegangan dan y sebagai variable yang menyatakan
kecepatan aliran angin. Meskipun begitu, ketika diambil data salah satu tegangan dan
disubstitusikan ke dalam persamaan di atas maka tidak bisa didapatkan hasil kecepatan angin
yang sesuai karena grafik didapatkan dari nilai yang paling mendekati.
3. Analisis Grafik
Grafik hubungan kecepatan angin terhadap tegangan merupakan sebuah grafik linear
namun bernilai negatif karena grafiknya dari kanan ke kiri menjadi semakin rendah. Hal ini
sesuai dengan kenyataan bahwa semakin tinggi kecepatan udara menunjukkan bahwa
semakin kecil nilai tegangan sehingga gradien garis bernilai negatif. Dari grafik ini dapat
dianalisis bahwa kawat hot wire dapat digunakan sebagai sensor kecepatan udara karena
kawat ini memberikan variasi tegangan terhadap perubahan kecepatan angin.
Untuk grafik yang menyatakan hubungan tegangan terhadap waktu pada masing-
masing kecepatan menunjukkan sebuah grafik yang bernilai positif karena tegangan
berbanding lurus dengan perubahan waktu sesuai dengan persamaan 𝑃 = 𝑉 𝐼 ∆𝑡. Persamaan
ini menunjukkan hubungan bahwa energy listrik dapat terdisipasi menjadi energy kalor.
Energi listrik per satuan waktu (daya) yang terdisipasi menjadi kalor sebanding dengan
tegangan, arus listrik, dan selisih waktu mengalirnya arus listrik. Gradien dari grafik-grafik
ini juga cukup landai karena pengaruh waktu terhadap tegangan hanya sedikit karena hanya
diambil perubahan waktunya saja.
4. Analisis Kesalahan
Dalam percobaan disipasi kalor hot wire ini kesalahan dalam percobaan sering kali
terjadi, misalnya seiring dengan bertambahnya kecepatan angin, nilai kesalahan pun semakin
besar. Hal ini dikarenakan semakin kecilnya perbedaan tegangan yang terukur sehingga
membutuhkan ketelitian yang lebih tinggi lagi, baik dari alat percobaan maupun pendekatan
rumus untuk penghitungannya. Hal ini dapat dijelaskan sebagaiman keadaan dimana probe
kurang akurat dalam perubahan tegangannya. Bahkan akan semakin kecil seiring dengan
kecepatan angin yang semakin tinggi. Perubahan tegangan yang semakin kecil menyebabkan
voltmeter juga harus mempunyai ketelitian yang semakin tinggi juga.
Dilihat dari bentuk grafiknya, grafik tidak memiliki bentuk linear yang sempurna
melainkan memiliki kelengkungan sehingga tidak bisa dianggap linear seluruhnya. Dari hal
ini maka munculah kesalalahan relatif yang sangat tinggi yaitu mencapai 122%. Selain
kesalahan pendekatan rumus, ada beberapa kesalahan lain yang mungkin menjadi penyebab
timbulnya kesalahan relatif yang cukup besar yaitu antara lain alat-alat praktikum yang tidak
berfungsi dengan baik, singktanya waktu yang diberikan untuk praktikum sementara koneksi
internet berjalan lambat sehingga menyebabkan praktikan terburu-buru mengambil data
percobaan dan juga adanya kesalahan dalam perhitungan dan juga penggunaaan angka
penting.
Kesimpulan
1. Hot wire dapat digunakan sebagai sensor kecepatan aliran udara akan tetapi hasilnya tidak
akan menunjukkan hasil yang presisi.
2. Semakin besar kecepatan angin yang dialirkan pada kawat hot wire, maka semakin rendah
tegangan yang dihasilkan oleh kawat hot wire.
3. Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hotwire adalah y = -2508x +
5280
Referensi
1. Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition, Prentice Hall, NJ,
2000.
2. Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition,
John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.
Link RLab
http://sitrampil3.ui.ac.id/kr01