## PENGUKURAN DAN REKONSTRUKSI ALIRAN GAS BERPROFIL ASIMETRIS DENGAN HOT-WIRE ANEMOMETER MENGGUNAKAN METODA INTERPOLASI KUBIK
Khairul Amri 1* , Andriyanto 1 , Rino Sukma 1
1 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang
* email: mr.khairul.amri@gmail.com DOI: http://dx.doi.org/10.31869/rtj.v3i1.1703
Abstrak: Profil  asimetris  adalah  distribusi  kecepatan  aliran  pada  penampang  melintang  pipa  yang acak  dan  alirannya  belum  berkembang  mantap.  Aliran  asimetris  menyebabkan  timbulnya  galat hingga  11%  pada  hampir  semua  alat  ukur  flowmeter.  Solusi  agar  pengukuran  aliran  pada  fluida berprofil asimetris tetap akurat adalah dengan mengetahui langsung profil kecepatan aliran karena mampu  memberikan  informasi  distribusi  kecepatan  aliran  dengan  tepat. Menggunakan  Hot-wire Anemometer, mengoptimalkan penempatan lokasi pencuplikan data pada penampang melintang pipa dan  memanfaatkan  metoda  interpolasi  kubik,  diperoleh  hasil  pengukuran  yang  akurat  ketika mengukur  aliran  asimetris  dengan  galat  rata-rata  adalah  1,96  %  dan  profil  rekonstruksi  yang diperoleh menyerupai profil yang diukur.
Keywords: Pengukuran kecepatan aliran gas, profil asimetris, hot-wire anemometer, rekonstruksi profil aliran, metoda interpolasi kubik

## PENDAHULUAN
Pada  sistem  instalasi  gas,  distribusi kecepatan  aliran  pada  penampang  melintang pipa,  disebut  profil  aliran,  cenderung  asimetris [1]. Padahal hampir semua alat ukur mensyaratkan  aliran  fluida  yang  diukur  harus yang telah berkembang mantap ( fully developed flow )  dan  atau  berprofil  simetris  seperti  vortex flowmeter, plat orifice, turbin meter, ektromagnetik dan ultrasonik meter. Galat yang timbul  akibat  aliran  asimetris  mencapai  11% [2].
Untuk  mendapatkan  gas  dengan  aliran simetris  diperlukan  pipa  lurus  dengan  panjang 20D  (D=diameter  pipa)  atau  menggunakan pengkondisi  aliran  ( flow  conditioner )  [3]. Keterbatasan  tempat  menjadi  alasan  sulitnya untuk  memenuhi  syarat  instalasi  pipa  yang diperlukan. Sementara itu, penggunaan pengkondisi  aliran  menyebabkan  terjadinya penurunan  tekanan  sehingga  menyebabkan  gas terkondensasi  dan  merusak  sistem  aliran.  Oleh karena  itu,  banyak  peneliti  yang  berusaha meningkatkan kinerja flowmeter dalam mengukur aliran asimetris [2][3][5][9].
Walaupun  informasi  yang  dibutuhkan dalam pengukuran aliran adalah nilai kecepatan rata-rata,  tapi  metoda  visualisasi  profil  aliran dapat meningkatkan akurasi pengukuran flowmeter.  Hal  ini  terjadi  profil  aliran  mampu memberikan  data  kecepatan  pada  tiap  titik  dari penampang melintang pipa dengan tepat [2][4]. Fungsi  lain  profil  aliran  adalah  melihat kesesuaian  teori  mekanika  fluida  dengan
kondisi nyata dilapangan serta mampu menampilkan  adanya  gangguan  yang  mungkin terjadi  pada  sistem  pemipaan  disekitar  area flowmeter  seperti  adanya  sedimentasi  dan kebocoran pipa.
Beberapa  metoda  yang  telah  digunakan untuk  memvisualisasikan  profil  aliran  adalah metoda tomografi [5], Particle Image
Velocimetry (PIV) [4], Laser Doppler Anemometer (LDP) [2]. Pada metoda tomografi  diperlukan  12  transduser  ultrasonik sehingga  membuat  sistem  menjadi  kompleks dan  berbiaya  mahal.  Disamping  itu  teknik  ini membutuhkan waktu akuisisi data dan komputasi  yang  kompleks  dan  lama  [5]. Sementara  itu,  PIV  dan  LDP  berbiaya  sangat mahal  serta  membutuhkan  pipa  transparan ( glass  windows )  untuk  lokasi  pengamatan. Lebih  jauh,  PIV  dan  LDP  juga  membutuhkan partikel fluorescent trace yang harus ditambahkan  pada  fluida  uji    [3].  Partikel tersebut  bisa  mengganggu  senyawa  fluida  itu sendiri  sehingga  sulit  untuk  diterapkan  di industri gas [6].
Alat  ukur  fluida  lainnya  adalah  Hot-wire anemometer  (HWA). Alat  ini  memiliki beberapa  keunggulan  yaitu:  (1)  respon  yang cepat  (dalam  rentang  Khz),  (2)  derau  yang rendah, (3) biaya murah, (4) mudah digunakan, (5) data post processing yang cepat [7]. Secara umum HWA hanya digunakan untuk mengukur aliran laminar dan aliran yang telah berkembang mantap karena hanya
membutuhkan pengukuran pada satu titik lokasi
[6][7].  Namun  dengan  memanfaatkan  ukuran sensor HWA yang kecil, maka kecepatan aliran pada  area  yang  sempit  bisa  diperoleh. Kelebihan ini bisa dimanfaatkan untuk merekonstruksi  profil  aliran  karena  kecepatan aliran  pada  banyak  titik  dari  penampang melintang  pipa  bisa  diukur  dengan  akurat. Akan  tetapi,  teknik  ini  membutuhkan  150  titik pengukuran  hanya  untuk  menghasilkan  sebuah profil  aliran  [2],  sehingga  menjadi  tidak praktikal  di  dunia  industri  [8].  Kontribusi penelitian ini adalah mendapatkan lokasi sensor HWA  seminimal  mungkin  namun  mampu merekonstruksi  aliran  asimetris  dengan  baik dimana  galat  <  5%.  Metoda  interpolasi  akan dimanfaatkan untuk mencapai tujuan tersebut.

## METODE PENELITIAN Hot-wire Anemometer
Hot-wire  anemometer  (HWA)  adalah  alat ukur kecepatan fluida yang bekerja menggunakan  kawat  panas  sebagai  sensor. Dalam  keadaan  tanpa  aliran,  sensor  HWA memiliki  temperatur  diatas  suhu  lingkungan. Jika ada udara mengalir maka terjadi penurunan suhu  dan  perubahan  suhu  tersebut  akan sebanding dengan kecepatan udara yang diukur. Bentuk sensor HWA ditampilkan pada Gambar 1.  Pada  ruang  tiga  dimensi,  HWA  mampu menukur kecepatan aliran baik pada sumbu x, y dan  z  tergantung  pada  arah  penempatan  HWA ketika  melakukan  pengukuran.  Oleh  karena  itu kecepatan  aliran  pada  berbagai  arah  bisa diperoleh.

## Gambar 1. Hot-wire Anemometer

## Interpolasi Kubik
Interpolasi adalah teknik mencari data baru yang  berada  diantara  data  yang  telah  diketahui atau  dengan  kata  lain  adalah  cara  untuk mendapatkan  data  yang  hilang.  Metoda interpolasi  bekerja  dengan  memasukkan  titik yang  ingin  dicari  harganya  pada  fungsi interpolasi  yang  diperoleh  dari  data  yang  telah tersedia.
Teknik  interpolasi  memiliki  beberapa  jenis yaitu:  interpolasi  linear,  kuadratik,  kubik, lagrange,  Newton  dan  polinomial.  Pemilihan metoda  jenis  interpolasi  yang  akan  digunakan berdasarkan  sebaran  data  yang  akan  dianalisa. Interpolasi  kubik digunakan pada penelitian ini karena  sebaran  data  kecepatan  aliran  fluida asimetris memiliki sifat yang sangat tidak linear [5]. Bentuk interpolasi kubik diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Metoda interpolasi kubik
Pada  proses  rekonstruksi  profil  aliran, teknik interpolasi digunakan untuk memprediksi  nilai  kecepatan  aliran  yang  tidak terukur  oleh  HWA.  Flowmeter  ultrasonik dengan  metoda  tomografi  juga  menggunakan metoda  interpolasi  dalam  proses  rekonstruksi profil aliran [9].

## Lokasi penempatan Hot-wire
Pada penelitian ini digunakan 3 variasi pola penempatan HWA yaitu Tipe-1, Tipe-2, Tipe-3, seperti  yang  ditampilkan  pada  Gambar  3a hingga  3c.  Pada  Tipe-1,  penampang  melintang dibagi  oleh  4  garis  dengan  jarak  antar  garis membentuk sudut 45 0 pada bagian tengah pipa.
Jumlah  data  pada  tiap  garis  yang  diambil divariasikan yaitu 5, 7, 9, 11 data dengan jarak yang  sama  ( equally  space ).  Teknik  dan  jumlah pencuplikan data yang
(a) Tipe-1
= data tersedia = data prediksi
Sensor HWA Garis 1 Garis 2 Garis 3 Garis 4 4 5 0 5 Lokasi pengukur an
(b) Tipe-2 (c) Tipe-3
Gambar 3 variasi tipe pengukuran HWA
sama  dilakukan  pada  Tipe-2  dan  Tipe-3.  Jadi diperoleh  12  variasi  lokasi  pengukuran  HWA (3  tipe  x  4  variasi  jumlah  data)  seperti  yang dirangkum pada Tabel 1.
Tabel 1. 12 variasi metoda penempatan HWA Metoda Tipe-1 Tipe-2 Tipe-3 jumlah data tiap garis 5, 7, 9, 11 5, 7, 9, 11  5, 7, 9, 11

## Data Hot-wire dari simulasi CFD
Data hasil pengukuran HWA diperoleh dari simulasi Computational  fluid  dynamics (CFD). CFD  digunakan  untuk  mensimulasikan  aliran gas  di  dalam  pipa  karena  memiliki  kesesuaian dengan  hasil  eksperimen  ketika  mengunakan parameter-parameter  yang  sesuai  [4].  Aliran asimetris  diperoleh  dengan  menggunakan instalasi  pipa  dengan  sambungan  siku  seperti yang  ditampilkan  pada  Gambar  4,  karena kondisi  tersebut  yang  paling  umum  ditemukan di sistem instalasi gas.
Diameter  pipa  (D)  2  inci  dan  jari-jari sambungan  siku  1,5D.  Jarak  dari  udara  masuk ke  sambungan  siku  2D  dan  pada  sisi  buangan 25D.  Untuk  mendapatkan  data  dengan  kualitas yang  baik  maka  pipa  di  isi  dengan  meshing yang  distrukturisasi.  Simulasi  menggunakan model  k-ε.  Model  ini  dipilih  karena  paling banyak  digunakan  untuk  simulasi  aliran turbulen, memiliki stabilitas yang tinggi, murah dan  tingkat  akurasi  yang  tinggi  [9].  Lebih  jauh model ini lebih sesuai dengan sistem pemipaan gas  alam  karena  mengasumsikan  tidak  terjadi perpindahan panas antara fluida dan lingkungan luar.
30 0 Garis 1 Garis 2 Garis 6 7 Lokasi pengukuran … Garis 1 Garis 2 Garis 3 Garis 4 Garis 5 Garis 6 9 Lokasi pengukuran
Gambar 4. Konfigurasi pipa untuk simulasi data CFD X Z Y Gas masukan 2D D = 2 inci v gas_masukan = 2 m/s
Re = 6148 20D 12D 6D 3D 1D 2D
Beberapa  tetapan  yang  dibuat  untuk simulasi  adalah udara ideal yang tidak mampat ( incompresible )  dengan  suhu  25 0 C  dan  rapat jenis ( density ) 1,293 Kg/m3, viskositas 1,983 x 10 -5 N  s/m2,  tekanan  operasi  0,1  Mpa  dan kekasaran  dinding  pipa  0,1  mm.  Kecepatan udara  pada  bagian  masukan  pipa  2  m/s sehingga diperoleh bilangan Reynold (Re) 6148 yang menjamin aliran yang dihasilkan berbentuk  turbulen.  Data  kecepatan  ditiap  titik dari  HWA  diperoleh  dari  profil  aliran  hasil simulasi CFD pada jarak 0D, 1D, 3D, 6D, 12D dan  20D  seperti  yang  telah  ditampilkan  pada Gambar 4.
Menggunakan  data  terbatas  yang  diperoleh dari  data  CFD,  profil  aliran  direkonstruksi menggunakan  metoda  interpolasi  kubik  dan dibandingkan secara visual dengan profil CFD. Selanjutnya  kecepatan  rata-rata  dari  profil tersebut  ( )  dihitung  menggunakan metoda  rata-rata  seperti  yang  ditulis  pada persamaan 1.
(1)
dimana N dan M adalah titik-titik pada sumbu y dan  z,  sementara  v y,z adalah  nilai  kecepatan pada  titik  y,z  tersebut.  Sementara  itu,  nilai kesalahan
( Galat ) dihitung
dengan menggunakan persamaan 2.
(2)
dimana adalah  kecepatan  rata-rata  dari profil aliran yang diperoleh dari CFD.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Profil aliran pada penampang melintang pipa
Citra  profil  aliran  pada  penampang melintang pipa untuk variasi jarak pada sumbu- x  dari  sambungan  siku  ditampilkan  pada Gambar  5a  hingga  5f.  Terlihat  adanya perubahan  profil  aliran  yang  cukup  signifikan meskipun  hanya  terjadi  sedikit  pergeseran pengukuran    pada  0D  dan  1D.  Hal  yang  sama juga  terjadi  pada  1D,  3D  dan  6D,  dimana polanya  masih  berbeda  namun  perubahannya tidak  se-ekstrim  dibandingkan  0D  dan  1D. Kondisi  ini  terjadi  karena  sambungan  siku merubah  arah  aliran  secara  tiba-tiba  sehingga menimpulkan  pusaran  yang  menyebabkan profil aliran berubah secara tiba-tiba.
Sementara pada jarak 12D kecepatan aliran tertinggi  telah  mulai  bergeser  dari  sebelumnya pada  bagian  atas  (sumbu  Z  positif)  kebagian bawah  (sumbu  Z  negatif)  dan    pada  jarak  20D telah membentuk aliran yang telah berkembang matap.  Hal  ini  membuktikan,  semakin  jauh jarak  tempuh  aliran  dari  sumber  gangguan, sambungan  siku,  maka  profil  aliran  akan mencari kestabilannya sehingga menjadi simetris dan berkembang mantap.
(a) 0D,   = 1,51 m/s      (b) 1D,   = 1,55 m/s
(c) 3D,   = 1,53 m/s        (d) 6D,   = 1,50 m/s
(e) 12D,   = 1,48 m/s     (f) 20D,   = 1,47 m/s
Gambar  5.  Profil  aliran  penampang  melintang pipa untuk variasi lokasi pd sb-X dari 0D hingga 20D
Berdasarkan  3  tipe  pencuplikan  data  yang telah  diusulkan  (Gambar  3),  variasi  data kecepatan  disepanjang  garis  yang  dibuat  untuk profil 1D terlihat pada Gambar 5. Terlihat data yang terukur pada setiap garis berbeda baik dari segi  nilai  maupun  pola  data.  Meskipun  profil yang  diukur  sama,  namun  ketika  lokasi pengukuran  berbeda,  untuk  Tipe  1  dan  3,  pola data  yang  diperoleh  sangat  berbeda.  Dari Gambar  4  dan  5  dapat  disimpulkan  bahwa
profil  aliran  pada  instalasi  pipa  yang  dibuat memiliki  pola  yang  sangat  tidak  simetris  pada jarak  0D  hingga  12D.  Oleh  karena  itu flowmeter  konvensional  tidak  akan  mampu memberikan  hasil  pengukuran  yang  akurat ketika  mengukur  kecepatan  aliran  pada  jarak kondisi tersebut.
(a) (b)
Gambar  6.  Data  kecepatan  pada  sb-X  ketika menggunakan  metoda  (a)  Tipe-1
dan (b) Tipe-3

## 2. Profil aliran hasil rekonstruksi
Data  yang  diperoleh  dari  12  variasi  lokasi pengukuran HWA direkonstruksi menggunakan metoda  interpolasi kubik. Setiap profil disusun oleh  200  titik  data  baik  pada  sumbu  y  maupun z.    Citra  dan  galat  yang  diperoleh  untuk  profil 1D ditampilkan pada Tabel 2.
Secara visual, profil rekonstruksi menggunakan  metoda  Tipe-2  memiliki  tingkat kemiripan  dengan  CFD.  Semakin  banyak  data yang  digunakan  semakin  baik  citra  dan  tingkat akurasinya.  Hal  tersebut  diperlihatkan  dengan tingkat  galatnya  terkecil  ketika  menggunakan metoda  Tipe-2  dan  pencuplikan  dengan  11 data.  Sementara  untuk  Tipe  3  tidak  mampu merekonstruksi aliran dengan baik untuk semua variasi jumlah pencuplikan data.
Dilihat  dari  jumlah  data  terkecil  yang diperlukan  untuk  rekonstruksi  aliran,  metoda Tipe-1 dengan 5 data telah mampu
merekonstruksi  aliran  namun  dengan  tingkat kesalahan  >18%.  Analisa  lanjutan  diperlukan dengan memberikan nilai bobot
Tabel  2.  Profil  hasil  rekonstruksi  profil  aliran pada jarak 1D
Dat* Tipe 1 2 3 5 = 1,26 m/s G * = 18,87 % = 1,27 m/s G = 18,43% = 1,26 m/s
G =19,14 %
7 = 1,41 m/s G = 9,41 % = 1,41 m/s G = 9,02 % = 1,37 m/s G = 11,52 9 = 1,27 m/s G = 18,12 %
= 1,50 m/s
G = 3,22 % = 1,40 m/s G = 9,88 % 11 = 1,33 m/s G = 14,21 % = 1,56 m/s
G = 0,53 % = 1,40 m/s
G = 9,63 %
*G=Galat
sehingga tingkat akurasinya bisa semakin baik.
Ketika  metoda  Tipe-2  digunakan  untuk melakukan rekonstruksi dan pengukuran kecepatan  rata-rata  aliran  pada  7  variasi  profil aliran diperoleh nilai rata-rata yang sangat baik yakni  <  1,96%  seperti  yang  ditampilkan  pada Tabel  3.  Hal  ini  membuktikan  metoda  yang diusulkan  mampu  merekonstrusi  aliran  dengan baik  dilihat  dari  kesamaannya  dengan  profil hasil CFD dan tingkat akurasi yang sangat baik. Tabel 3. Perbandingan kecepatan rata-rata
aliran hasil No Jarak dr elbow Kecepatan ( ),(m/s) Galat (%) Aktual  Hot-wire 1 0D 1,51 1,68 11,25 2 1D 1,55 1,56 0,53 3 2D 1,54 1,56 1,30 4 3D 1,53 1,53 0 5 6D 1,50 1,50 0 6 12D 1,48 1,48 0 7 20D 1,48 1,47 0,67 Galat rata-rata 1,96

## PENUTUP Simpulan
Hot-wire  Anemometer  biasanya  hanya digunakan  untuk  mengukur  aliran  simetris  dan telah  berkembang  mantap.  Pengembangan dilakukan  agar  alat  ini  juga  mampu  mengukur aliran asimetris. Teknik yang digunakan adalah dengan melakukan pengukuran dengan menggunakan  metoda  Tipe-2  yang  diusulkan serta  pencuplikan  data  dengan  jumlah  11  buah untuk  setiap  garis  yang  ditetapkan.  Metoda interpolasi kubik digunakan untuk merekonstruksi  profil  aliran  dan  metoda  rata- rata  untuk  menghitung  kecepatan  rata-rata aliran.  Hasil  yang  diperoleh  menunjukkan profil  hasil  rekonstruksi  menyerupai  profil aliran yang diukur dengan galat 1,96%.

## Saran
Metoda  Tipe-1  dan  menggunakan  5  buah data telah mampu merekonstruksi aliran dengan baik  namun  galatnya  mencapai  19%.  Analisa lanjutan diperlukan agar akurasi bisa meningkat namun dengan tetap menggunakan  jumlah data yang sangat sedikit dibandingkan metoda Tipe- 2.  Hal  lain  yang  diperlukan  adalah  dengan menguji  aliran  asimetris  dengan  bentuk  lebih beragam  untuk  melihat  kehandalan  metoda Tipe-1.  Disisi  lain,  validasi  secara  eksperimen sangat diperlukan dan membandingkan hasilnya denan alat standar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  R. C. Baker, Flow measurement handbook,  Industrial  Design,  Operating Principles, Performance, and Application . Cambridge university Press 2000, 2005.
[2]  R.  K.  C.  Wendt,  B.  Mickan  and  D. Dopheide,  “Systematic  investigation  of pipe  flows  and  installation  effects  using laser Doppler anemometry- Part I . Profile measurements downstream of several pipe configurations  and  flow  conditioners,”
Flow  Meas.  Instrum.  Instrum ,  vol.  7,  pp. 141–149, 1997.
[3]  B. Gvozdić et al. , “Twente Mass and Heat Transfer  Water  Tunnel:  Temperature controlled  turbulent  multiphase  channel flow with heat and mass transfer,” Cornell Uiversity , 2019.
[4]  H.  Ge et  al. ,  “A  comparison  of computational  fluid  dynamics  predicted initial  liquid  penetration  using  rate  of injection  profiles  generated  using  two different  measurement  techniques,” Int.  J. Engine Res. , 2017.
[5]  K.  Amri,  Suprijanto,  E.  Juliastuti,  and  D. Kurniadi, “Tomographic Ultrasonic
Flowmeter  using  Dual-  Transducers  for Reconstruction of an Asymmetric
Velocity  Profile,” proceeding  ICA  2016 , no. c, pp. 1–5, 2016.
[6]  I.H.Rusli,  A.  S,  H.Medina,  and  S. F.Benjamin, “Using single-sensor hot-wire anemometry for velocity measurements in confined  swirling  flows,” Measurement , vol. 129, pp. 277–280.
[7]  A.  Proença,  J.  Lawrence,  and  R.  Self, “Measurements  of  the  single-point  and joint turbulence statistics of high subsonic
jets  using  hot-wire  anemometry,” Exp. Fluids .
[8]  J.  Chen  and  C.  Liu,  “Development  and characterization of
surface micromachined, out-of-plane hot-wire anemometer,” J.  Microelectromechanical Syst. , vol. 12, no. 6, 2013.
[9]  E.  Liu,  H.  Tan,  and  S.  Peng,  “A  CFD Simulation for The Ultrasonic Flow Meter with  a  Header,” Teh.  Vjesn.  -  Tech.  Gaz. ,
vol. 24, no. 6, p. 1797+, 2017.