LAPORAN R-LAB

KR01 - Disipasi Kalor Hot Wire

Nama : Retno Murti Wulandari

NPM : 0906636964

Fakultas : Teknik

Departemen : teknik sipil

Kode Praktikum : KR 01

Tanggal Praktikum : 8 April 2010

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar(UPP-IPD)

Universitas IndonesiaDepok

I. Tujuan

Menggunakan hotwire sebagai sensor kecepatan aliran udara.

II. 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

III. Landasan Teori

Terdapat 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.

A. 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:

over heat ratio =RwRa

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:

w=VI Δt

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

pada rangkaian, dan Δt 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.

B. Sistem Hotwire Anemometer dan Spesifikasi Single Normal Hot Wire Probe

Sistem 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 untuk memfasilitasi respon instantaneous dari inersia termal sensor terhadap berbagai perubahan dalam kondisi aliran.

C. Persamaan Respon Kalibrasi

1. Persamaan Simple Power Law

Persamaan ini dirumuskan sebagai:

E2=A+BU n

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.

2. Persamaan Extended Power Law

Persamaan ini dirumuskan sebagai:

E2=A+BUn+CU

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

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 = 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. Cara Kerja

Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian bawah halaman

ini.

1. Mengaktifkan Web cam (mengklik 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 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

V. Pengolahan Data1. Berdasarkan data yang didapatkan pada percobaan, di dapatkan hubungan antara

tegangan dengan waktu sehingga diperoleh data-data grafik sebagai berikut :

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

Tegangan di v=0 m/s

V-HW

waktu

tega

ngan

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 Tegangan di v = 70 m/s

V-HWLinear (V-HW)

waktu

tega

ngan

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 Tegangan di v = 110 m/s

V-HWLinear (V-HW)

WAKTU

TEGA

NGA

N

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 Teganan di v = 150 m/s

V-HWLinear (V-HW)

waktu

tega

ngan

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 Tegangan di v = 190 m/s

V-HWLinear (V-HW)

waktu

tega

ngan

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

f(x) = NaN x + NaNR² = 0 tegangan di v = 230 m/s

V-HWLinear (V-HW)

waktu

tega

ngan

2.Grafik Hubungan Tegangan Hotwire dengan Kecepatan Aliran Udara.

Berikut ini adalah grafik hubungan tegangan hotwire dengan kecepatan aliran udara pada setiap

detiknya. Namun untuk mengukur hubungan tegangan dan kecepatan aliran udara dari data yang

beraneka ragam, maka di ambillah data rata-rata sebagai berikut:

Kecepatan Angin (m/s) V-HW

0 2.07683370 2.0572110 2.037444150 2.027057190 2.0246230 2.0223

Grafik hubungan antara kecepatan laju angin dengan tegangan rata-rata:

0 50 100 150 200 2501.99

2

2.01

2.02

2.03

2.04

2.05

2.06

2.07

2.08

2.09

f(x) = − 0.000250213086673499 x + 2.07218245594001R² = 0.917149349271663

V-HW

V-HWLinear (V-HW)

Kecepatan laju angin

tega

ngan

Persamaan kecepatan angin sebagai fungsi dari tegangan hot wire dapat kita peroleh dengan least square grafik-grafik hubungan dari keduanya.

Tabel data least square :

V-HW (x) Kec Angin (y) x2 y2 Xy

2.076833 0 4.313237 0 0

2.0572 70 4.232072 4900 144.004

2.037444 110 4.15118 12100 224.1189

2.027057 150 4.108961 22500 304.0586

2.0246 190 4.099005 36100 384.674

2.0223 230 4.089697 52900 465.129

Σ = 12.24543 Σ = 750 Σ = 24.99415 Σ =128500 Σ = 1521.984

Dari data diatas dapat kita hitung least square yang akan menghubungkan antara tegangan

dan kecepatan angin, yaitu sebagai berikut.

m=n∑ x i y i−¿¿

b=∑ xi2∑ y i−(∑ x i)(∑ x i y i)

n∑ x i2−¿¿¿

Sehingga didapatlah nilai m yaitu besar gradient dari grafik hubungan antara kecepatan dan

tegangan serta b sebagai faktor penambah. Dimana keduanya diperoleh dari kedua

persamaan di atas. Keduanya merupakan variabel terikat pada persamaan yang

menghubungkan antara kecepatan angin dan tegangan. Dari keduanya, kita akan

mendapatkan bahwa:

m=−3636,927

dan

b=7547,623

Maka persamaan yang didapatkan (least square) dari hubungan tegangan dan kecepatan

angin, dengan kecepatan angin sebagai variabel terikat y dan tegangan sebagai variabel

bebas x, adalah:

Y = -3636,927 + 7547,623

Setelah itu kita dapat mencari kesalahan pada perhitungan dengan rumusan sebagai berikut:

δm=δy √ ∑ xi2

n∑ xi2−(∑ x i)

2

dengan

δy=√( 1n−2 )¿¿

maka kita akan mendapatkan besarnya kesalahan/deviasi dari perhitungan ini, yaitu:

δy = 179,2439 dan δm = 7482,154

Selanjutnya, dari hasil perhitungan ini kita dapat menghitung besarnya kesalahan dari

perhitungan, yaitu:

TK= δmm

×100 %

TK=205,72%

4. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan serta data yang telah didapat, praktikan

menyimpulkan bahwa kawat hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan

angin dengan cara melihat hasil nilai tegangan yang dihasilkan. Dengan persamaan

garis dalam grafik diatas, dapat dilihat jika tegangan berbanding terbalik dengan

kecepatan angin. Sehingga semakin besar kecepatan angin, maka akan semakin kecil

tegangan yang dihasilkan.

VI. Analisis

VI.1 Analisis PercobaanPercobaan dilakukan dengan media internet melalui situs Rlab. Sehingga, kesulitan untuk

terhubung dengan Rlab menjadi kendala utama dalam melakukan praktikum ini. Dalam

percobaan kali ini, ada prosedur yang tidak praktikan lakukan. Prosedur tersebut adalah

prosedur pertama: praktikan tidak menyalakan web cam seperti pada langkah prosedur

pertama. Hal ini disebabkan akibat terganggunya koneksi internet yang digunakan praktikan

sehingga hasil webcam tidak muncul serta mengakibatkan hampir habisnya waktu

percobaan akibat koneksi internet yang kurang baik.

Namun,meski muncul beberapa kendala yang tidak diharapkan praktikan, prosedur

percobaan dapat dianggap sudah dilakukan dengan cukup baik.

VI.2 Analisis PerhitunganPerhitungan yang dilakukan selama pengolahan data terutama adalah perhitungan untuk

mencari besarnya gradien dari grafik hubungan yang didapatkan. Sehingga dibuatlah tabel

hubungan kecepatan laju angin dengan tegangan rata-rata untuk mengakuratkan perhitungan

data. Lalu,untuk mengitung gradien m digunakan metode least square yang nantinya akan

membentuk suatu perhitungan yang menghasilkan grafik yang linear. Rumusan untuk

mendapatkannya adalah sebagai berikut.

m=n∑ x i y i−¿¿

Dan untuk menghitung konstanta b pada sebuah persamaan garis linear kita

mempergunakan rumusan sebagai berikut.

b=∑ xi2∑ y i−(∑ x i)(∑ x i y i)

n∑ x i2−¿¿¿

Lalu untuk mencari seberapa besar kesalahan deviatif yang ada pada penghitungan gradien

pengolahan data dilakukan dengan menggunakan perhitungan sebagai berikut.

TK= δmm

×100 %

Dengan TK adalah tingkat kesalahan relatif dalam persen dan didalamnya terdapat δm dan

m. Maka sebelum mendapatkan nilai kesalahan deviatif relatif terlebih dahulu kita harus

menentukan besarnya δm, yaitu dengan perhitungan sebagai berikut.

δm=δy √ ∑ xi2

n∑ xi2−(∑ x i)

2

Dengan terlebih dahulu menghitung besarnya deviasi y yang besarnya dapat kita dapatkan

dengan rumusan sebagai berikut.

δy=√( 1n−2 )¿¿

VI.3 Analisis GrafikPada percobaan hotwire ini, terdapat 2 macam grafik yang dibuat dalam pengolahan data,

yaitu grafik hubungan antara tegangan dan waktu pada tiap-tiap kecepatan angin yang ada,

serta grafik hubungan antara kecepatan angin dan tegangan rata-rata data percobaan.

Pada jenis grafik pertama, yaitu pada gambar 1 hingga gambar 6, kita dapat melihat

fluktuasi tegangan terhadap tiap-tiap kecepatan laju angin. Apabila dianalisis, dengan

resistansi kawat yang sama dan kecepatan angin yang sama maka seharusnya besaran dari

tegangan yang terukur juga sama. Hal ini menunjukkan adanya gangguan dari luar sistem

peralatan dan kemungkinan besar berupa hembusan angin.

Namun pada grafik 2 hingga grafik 6 kita dapat melihat juga adanya fluktuasi tegangan yang

terjadi. Secara logika hembusan angin kini tidak terlalu berpengaruh karena kecepatan angin

yang keluar dari kipas setidaknya berkecepatan 70 km/s. Maka hal yang paling mungkin

menyebabkan hal ini terjadi adalah adanya aliran angin yang tidak linear pada kolom angin

dan pada saat angin menyentuh hot wire. Sesuai dengan sifat hot wire yang hanya dapat

mendeteksi aliran angin yang memiliki arah tegak lurus dengannya, maka sangat masuk akal

adanya aliran turbulen menyebabkan terjadinya fluktuasi tegangan yang terukur.

Lalu pada grafik jenis yang kedua,hubungan antara kecepatan laju angin dengan tegangan

rata-rata dapat dilihat pada gambar 7, kita dapat melihat hubungan antara tegangan yang

terukur dengan kecepatan yang ada pada saat itu. Dengan banyaknya data tegangan yang

terukur, maka praktikan menggunakan rata-rata dari tegangan yang terukur pada setiap

kecepatan aliran angin untuk kemudian lalu dihubungkan melalui grafik kecepatan angin vs

tegangan. Dari grafik ini kita dapat melihat terdapat suatu garis linier dari hasil percobaan

tersebut. Dimana dari persamaan garis linier tersebut didapatkan nilai gradient yang negatif

dengan kata lain semakin besar kecepatan angin, maka semakin kecil tegangan yang akan

terukur pada hot wire.

VI.4 Analisis KesalahanPada percobaan kali ini, didapatkan tingkat kesalahan yang sangat tinggi yaitu sekitar

200,72 %. Hal ini membuktikan bahwa telah terjadi kesalahan dalam percobaan sehingga

mengakibatkan data yang di dapat tidak akurat dan menghasilkan perhitungan tingkat

kesalahan yang cukup tinggi. Selain itu kemungkinan terjadinya kesalahan-kesalahan seperti

sistematik eror dan kesalahan acak juga mungkin dapat terjadi.

-kesalahan sistematik yang mungkin terjadi:

Instrumental yaitu peralatan hot wire yang mungkin tidak terkalibrasi dengan benar

Lingkungan yaitu tenaga listrik yang turun sehingga menyebabkan pengukuran arus

menjadi tidak sesuai

Teori yaitu penyederhanaan model gerak angin dalam kolom dengan

mengasumsikan bahwa angin bergerak hanya linear dan tidak turbulen.

-Kesalahan acak yang mungkin terjadi antara lain:

Lingkungan yaitu adanya angin dari luar sistem yang mengganggu dalam

pengambilan data.

VII. Kesimpulan Single-normal probe adalah suatu tipe hot-wire probe yang paling umum digunakan

sebagai sensor untuk memberikan informasi kecepatan aliran dalam arah aksial saja.

Jumlah perpindahan panas yang diterima probe dinyatakan dengan overheat ratio [6]

yang dirumuskan sebagai berikut:

over heat ratio =RwRa

dimana Rw adalah resistansi kawat dan Ra adalah resistansi dingin pada temperatur

ambien.

Kawat hotwire dapat digunakan sebagai pengukur kecepatan angin dengan cara melihat

nilai tegangan yang dihasilkan.

Persamaan hubungan kecepatan dalam satuan tegangan adalah: Y = -3636,927 +

7547,623

Semakin besar kecepatan angin, maka akan semakin berkurang tegangan yang dihasilkan.

VIII. ReferensiGiancoli, 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

www.google.com

IX. Lampiran

Tabel hasil percobaan

Waktu Kec Angin V-HW I-HW1 0 2.112 55.32 0 2.112 54.93 0 2.112 54.94 0 2.112 555 0 2.112 55.16 0 2.112 55.3

7 0 2.112 55.58 0 2.112 55.69 0 2.112 55.9

10 0 2.112 561 70 2.055 58.72 70 2.059 57.93 70 2.057 584 70 2.057 585 70 2.058 58.16 70 2.057 58.27 70 2.058 58.38 70 2.057 58.59 70 2.055 58.5

10 70 2.059 58.31 110 2.038 57.92 110 2.038 57.53 110 2.038 57.74 110 2.038 57.85 110 2.037 586 110 2.037 587 110 2.037 58.38 110 2.038 58.49 110 2.036 58.5

10 110 2.037 58.61 150 2.03 54.52 150 2.03 54.53 150 2.03 54.44 150 2.029 54.45 150 2.029 54.46 150 2.029 54.47 150 2.029 54.48 150 2.028 54.49 150 2.03 54.4

10 150 2.029 54.41 190 2.026 59.42 190 2.026 55.93 190 2.025 54.64 190 2.025 54.65 190 2.025 55.26 190 2.025 57.37 190 2.024 59.58 190 2.024 599 190 2.023 56.7

10 190 2.023 551 230 2.022 59.42 230 2.022 55

3 230 2.023 54.64 230 2.022 56.75 230 2.023 59.76 230 2.023 58.47 230 2.022 55.48 230 2.022 54.59 230 2.022 55.2

10 230 2.022 57.8