## Pengukuran Aliran Udara Dalam Pipa Menggunakan Gelombang Ultrasonik Dengan Metoda Korelasi Silang
B. Suwandhika, D. Kurniadi dan A. Trisnobudi Kelompok Keahlian Instrumentasi dan Kontrol Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10 Bandung 40132

## Abstrak
Flowmeter  ultrasonik  merupakan  jenis flowmeter  yang  memanfaatkan  gelombang ultrasonik   dalam pengukurannya. Metoda yang umum digunakan adalah metoda waktu tempuh. Metoda ini memiliki prinsip pengukuran yang relatif mudah dibanding dengan metoda lainnya. Namun metoda ini kurang sesuai  jika  digunakan  pada  aliran  fluida  yang  tidak  laminar.  Metoda  korelasi  silang  dengan gelombang  ultrasonik  dapat  digunakan  untuk  mengukur  laju  aliran  fluida  yang  relatif  bersih  tetapi profil aliran yang tidak laminar.
Pada makalah ini dibahas suatu studi eksperimen metoda korelasi silang untuk mengukur kecepatan aliran  udara  dalam  suatu  pipa.  Dari  hasil  pengukuran  dengan  metoda  waktu  tempuh  diperoleh kecepatan  rata-rata  aliran  yang  berbeda  dengan  yang  diperoleh  pada  metoda  korelasi  silang.  Hasil pengukuran metoda korelasi silang menunjukkan standar deviasi dan presisi yang relatif tinggi, Hal ini menunjukkan  bahwa  metoda  korelasi  silang  memberikan  hasil  yang  lebih  baik  pada  kondisi  aliran tidak laminar seperti aliran udara dalam pipa.
Keywords : gelombang ultrasonik, metoda korelasi silang, waktu tunda, demodulasi, aliran turbulen

## 1 Pendahuluan
Penggunaan  gelombang  ultrasonik  untuk  pengukuran  aliran  fluida  dalam  pipa  telah berkembang  pesat  dalam  berbagai  aplikasi.  Pengukuran  dengan  gelombang  ultrasonik memiliki beberapa keunggulan antara  lain pengukuran  yang bersifat non-intrusif dan tidak merusak distribusi profil aliran, tidak menyebabkan penurunan tekanan, dan instalasi  yang relatif lebih mudah.
Dewasa  ini  metoda  yang  paling  umum  digunakan  dalam  pengukuran  kecepatan  aliran fluida dengan menggunakan gelombang ultrasonik adalah metoda waktu tempuh. Metoda ini  dapat  memberikan  hasil  pengukuran  dengan  akurasi  yang  tinggi  tetapi  sangat  ketat membutuhkan kondisi aliran fluida  yang laminar  dan harus bebas dari kandungan partikel. Selain  itu  juga  terdapat  metoda  Doppler,  yang  digunakan  untuk  pengukuran  aliran  yang mengandung partikel padatan. Partikel tersebut berfungsi memberikan gelombang  refleksi untuk  memperhitungkan  efek  Doppler  yang  terjadi.  Persoalan  muncul  k etika  aliran  fluida yang  diukur  seperti  udara  yaitu  tidak  mengandung  padatan  dan  mengalir  dalam  kondisi yang mengalami turbulensi.
Pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa  terdapat  pada  berbagai  aplikasi  antara  lain  seperti pada sistem penyedia udara untuk keperluan suatu proses di industri, sistem tata  udara di suatu  bangunan.  Sebagai  contoh  pada  sistem  tata  udara,  informasi  laju  aliran  udara diperlukan  untuk  pemantauan  dan  pengendalian  proses  pengkondisian  udara  di  suatu tempat  atau  ruang.  Aliran  udara  dalam  pipa,  dimana  viskositas  yang  relatif  rendah  dan kecepatan  yang  relatif  tinggi,  sangat  sulit  dikondisikan  untuk  menjadi  aliran  yang terkembang  penuh  ( fully  developed  flow )  atau  laminar.  Salah  satu  cara  untuk  mengatasi persoalan  pada  pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa  adalah  menggunakan  gelombang
ultrasonik  dengan  metoda  korelasi  silang  [1][3].  Metoda  ini  merupakan  suatu  alternatif yang menjanjikan sistem pengukuran yang relatif murah dan sederhana.
Pada  makalah  ini  dibahas  penggunaan  metoda  korelasi  silang  untuk  pengukuran  aliran udara  dengan  gelombang  ultrasonik.  Metoda  ini,  secara  umum  menggunakan  prinsip perhitungan  korelasi  silang  dua  sinyal  pengukuran  untuk  mendapatkan  kecepatan  aliran rata-rata  dalam  pipa.  Keunggulan  metoda  ini  antara  lain  yaitu  dapat  memberikan  hasil pengukuran  yang  relatif  baik  pada  aliran  fluida  yang  sering  mengalami  turbulensi.  Pada studi  ini  telah  dilakukan  suatu  eksperimen  pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa  dan menghitung  kecepatan  rata-rata  aliran  udara  tersebut.  Perhitungan  kecepatan  aliran  rata- rata  dilakukan  melalui  penerapan  teknik  pengolahan  sinyal  pada  metoda  korelasi  silang. Untuk  perbandingan  dilakukan  juga  percobaan  pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa menggunakan metoda waktu tempuh.

## 2 Teori Dasar [1][3][4]
Gelombang  ultrasonik  adalah  gelombang  akustik  yang  dihasilkan  pada  frekuensi  di  atas ambang  batas  pendengaran  manusia  dan  umumnya  memiliki  frekuensi  diatas  20  kHz. Gelombang  ultrasonik  dihasilkan  oleh  suatu  transduser  ultrasonik  dan  merambat  dengan membentuk  medan  dekat  dan  medan  jauh.  Pada  medan  dekat  gelombang  akustik  yang dipancarkan  merupakan  gelombang  datar  yaitu  bergerak  hanya  ke  satu  arah  saja. Sedangkan  pada  medan  jauh  atau  zona  Franhoufer,  gelombang  ultrasonik  menyebar seperti gelombang bola.
Prinsip  dasar  flowmeter  ultrasonik,  khususnya  flowmeter  ultrasonik  waktu  tempuh ditunjukkan  pada  .  berikut.  Flowmeter  ini  mengukur  waktu  tempuh  gelombang  ultrasonik pada  arah  ke  hulu  dan  pada  arah  ke  hilir.  Selanjutnya  perbedaan  waktu  tempuh  tersebut digunakan untuk menghitung kecepatan aliran fluida.

## Gambar 1 Flowmeter ultrasonik waktu tempuh
Jika  waktu  tempuh  dalam  arah  ke  hilir  dinyatakan T 1 dan  dalam  arah  ke  hulu  adalah T 2 , maka kecepatan aliran V dapat ditentukan dengan persamaan berikut,
        1 2 1 2 cos 2 T T T T L V  (1)
Kecepatan V pada persamaan (1) merupakan kecepatan rata-rata aliran fluida.
Metoda lain yang digunakan pada flowmeter ultrasonik  adalah metoda korelasi silang. Pada flowmeter  ini  dilakukan  korelasi  dua  sinyal  yang  diperoleh  dalam  pengukuran.  Konfigurasi flowmeter ultrasonik dengan metoda korelasi silang ditunjukkan pada Gambar 2.
Pada  flowmeter  ultrasonik  ini,  kedua  transduser  pengirim  yang  berjarak  L  mengirimkan gelombang  ultrasonik  dan  merambat  melalui  aliran  fluida  yang  diukur  untuk  kemudian diterima  di  kedua  transduser  penerima.  Karena  sinyal  yang  dibangkitkan  oleh  transduser pengirim adalah sinyal periodik, maka kedua  sinyal yang diterima oleh transduser penerima juga  merupakan  sinyal  periodik.  Untuk  itu  perlu  dilakukan  demodulasi  sebelum  dilakukan operasi korelasi pada korelator.
(a) (b)
Gambar 2 Flowmeter ultrasonik dengan metoda korelasi silang : (a) diagram (b) sinyal
Besaran  yang  dihitung pada korelator adalah waktu tunda antara sinyal  yang diterima oleh transduser  penerima  pada  posisi  hulu  ( upstream )  dengan  sinyal  yang  diterima  oleh transduser  penerima  pada  posisi  hilir (downstream ).  Waktu  tunda  ini  digunakan  untuk menghitung kecepatan aliran rata-rata yaitu  dengan membagi antara jarak transduser hulu dan hilir dengan waktu tunda. Persamaan yang digunakan untuk menghitung aliran dengan waktu tunda adalah :
    dt t y t x T R T xy    0 1  (2)
Jika   max , xy xy R R   (3)
maka,
 L v 
(4)
dimana  Rxy  adalah  fungsi  korelasi  silang  sinyal  x(t)  dan  y(t),  sedangkan  adalah  waktu tunda  yang  terjadi  pada  sinyal  x(t)  terhadap  sinyal  y(t)  yaitu  saat  Rxy  mencapai  nilai maksimum. x(t) dan y(t) adalah sinyal pada transduser penerima di posisi hilir dan hulu.

## 3 Eksperimen
Pada  studi  ini,  disusun  suatu  perangkat  eksperimen  sebagai  pendekatan  pada  suatu flowmeter ultrasonik korelasi silang untuk aliran  udara dalam pipa.  Perangkat  utama  yang digunakan  pada  eksperimen  ini  terdiri  dari  generator  sinyal  dengan  frekuensi  kerja  200 kHz, tranduser ultrasonik sebanyak 4 buah yaitu 2 buah sebagai transduser pengirim dan 2 buah  sebagai  transduser  penerima.  Tranduser-transduser  ini  berbentuk  silinder  dengan diameter  16  mm  dengan  frekuensi  kerja  optimum  pada  200  kHz.  Pipa  yang  digunakan terbuat  dari  bahan  PVC  dengan  panjang  total  330  cm  dan  diameter  10,16  cm.  Pada perangkat eksperimen ini, transduser ultrasonik diletakkan tertanam di dalam dinding pipa ( wetted  type  transducer )  dan  untuk  menghindari  penerimaan  dua  gelombang  pada  satu transduser  penerima,  maka  jarak  antar  transduser  diatur  sebesar  20  cm.  Perangkat pengolah sinyal terdiri atas osiloskop digital dan komputer.
Gambar 3 Perangkat eksperimen
D : Jarak Sumber Udara ke sensor d : Jarak antar sensor
Eksperimen  dilakukan  seperti  diagram  blok  pada  Gambar  3.  Sinyal  dengan  frekuensi  200 kHz dihasilkan melalui  generator sinyal dan dikirim melalui  transduser pengirim, kemudian sinyal  diterima  oleh  transduser  penerima.  Sinyal  yang  diterima  oleh  masing-masing transduser  penerima  memiliki  kesamaan  pola  sinyal  yang  disebabkan  oleh  turbulensi dalam  aliran.  Namun  terdapat  keterlambatan  antara  pola  sinyal  pertama  dan  pola  sinyal kedua.
Sinyal-sinyal tersebut diakusisi dengan waktu cacah 1 mikrodetik. Selanjutnya ditampilkan pada osiloskop digital dan dikirim ke komputer untuk kemudian didemodulasi.  Demodulasi dilakukan  karena  sinyal  yang diterima  bersifat  periodik  kontinyu,  sehingga  sulit  untuk melihat  karakteristik  pola  sinyal  yang  diakibatkan  oleh  turbulensi.  Setelah  didemodulasi selanjutnya kedua sinyal tersebut dikorelasikan.
Data eksperimen diperoleh untuk 4 (empat) kali pengambilan data yaitu pada jarak sumber udara  ke  sensor  sebesar  80  cm  dan  280  cm  dengan  dua  macam  waktu  cacah  yaitu  5 mikrodetik dan 50 mikrodetik. Dari kedua data tersebut dihitung kecepatan  rata-rata aliran udara.  Selain  itu  untuk  mengetahui  kondisi  profil  aliran  juga  dihitung  bilangan  Reynold aliran fluida yang diukur.

## 4 Hasil dan Analisis
Untuk  perbandingan  telah  dilakukan  pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa  dengan  metoda waktu  tempuh.  Dari  pengukuran  dengan  menggunakan  metoda  waktu  tempuh diperoleh kecepatan aliran rata -rata sebesar 5,26 m/detik. Sedangkan  untuk data hasil pengukuran dengan  menggunakan  metoda  korelasi  silang  untuk  setiap  eksperimen  dapat  dilihat  pada tabel berikut.
Tabel 1 Pengukuran 1 (d = 0,2 m ; D = 0,8 m ; t s = 5 mikrodetik) τ (detik) V (m/detik) 0,03228 6,19675 0,03226 6,19963 0,03229 6,19483 0,03227 6,19867 0,03229 6,19483 0,03226 6,19963 0,03235 6,18238 0,03221 6,21022 Vrata-rata = 6,197 m/detik Stándar deviasi = 0,0077 Presisi = 0,37 % Tabel 2 Pengukuran 2 (d = 0,2 m ; D = 2,8 m ; t s = 5 mikrodetik) τ (detik) V (m/detik) 0,03226 6.19963 0,03226 6.19963 0,03226 6.19963 0,03226 6.19963 0,03226 6.19963 0,03239 6.17570 0,03226 6.19963 0,03226 6.19963 Vrata-rata = 6,196 m/detik
Stándar deviasi = 0,0085
Presisi = 0,42 %
Tabel 3 Pengukuran 3 (d = 0,2 m ; D = 0,8 m ; t s = 50 mikrodetik) τ (detik) V (m/detik) 0,03228 6,19675 0,03226 6,19963 0,03219 6,21311 0,03227 6,19867 0,03229 6,19483 0,03226 6,19963 0,03235 6,18238 0,03221 6,21022 Vrata-rata = 6,199 m/detik Stándar deviasi = 0,0094 Presisi = 0,46 % Tabel 4 Pengukuran 4 (d = 0,2 m ; D = 2,8 m ; t s = 50 mikrodetik) τ (detik) V (m/detik) 0,0323 6,19195 0,0323 6,19195 0,0323 6,20155 0,0323 6,19195 0,0323 6,19195 0,0323 6,19195 0,0323 6,19195 0,0323 6,20155 Vrata-rata = 6,194 m/detik
Stándar deviasi = 0,0044 Presisi = 0,22 %
Hasil  pengukuran  pada  tabel  di  atas  menunjukkan  bahwa  presisi  tertinggi  diperoleh sebesar 0,22% dan terendah sebesar 0,46%. harga kecepatan aliran rata-rata untuk tingkat kepercayaan  tertinggi  yaitu  untuk  pengukuran  1  berada  pada  rentang  6,1739  m/detik hingga  6,2201  m/detik.  Pada  pengukuran  2  berada  dalam  rentang  6,1705  m/s  hingga 6,2215  m/detik.  Kemudian  pengukuran  3  berada  dalam  rentang  6,1708  m/detik  hingga 6,2272 m/detik. Terakhir pada pengukuran 4 berada pada rentang 6,1808 m/detik hingga 6,2072 m/detik.
Dapat  disimpulkan  bahwa  hasil  pengukuran  menunjukkan  kepresisian  dan repeatability yang  relatif  baik  untuk  kecepatan  aliran  udara  (V)  rata-rata  sebesar  6  m/detik  pada eksperimen  ini,  maka  diperoleh  bilangan  reynold  sebesar  39064.  Dapat  dikatakan  bahwa aliran  udara  yang  diukur  adalah  aliran  tidak  laminar.  Dapat  disimpulkan  bahwa  hal  ini
menyebabkan  terjadinya perbedaan  hasil  pengukuran  antara  metoda  waktu  tempuh  dan metoda korelasi silang, dan metoda korelasi lebih superior terhadap metoda waktu tempuh untuk kondisi aliran tersebut.

## 5 Kesimpulan
Melalui eksperiman  yang telah dilakukan dapat  ditunjukkan  bahwa metoda korelasi silang dapat  digunakan  pada  pengukuran  aliran  udara  dalam  pipa  yang  mengalami  turbulen dengan  hasil  yang  relatif  baik  ditinjau  dari  standar  deviasi  dan  presisi  yang  dihasilkan. Perbedaan  hasil  pengukuran  yang  diperoleh  antara  metoda  waktu  tempuh  dan  korelasi silang,  disebabkan  metoda  waktu  tempuh  membutuhkan  kondisi  aliran  yang  laminar sehingga  pada  eksperimen  dimana  terjadi  kondisi  turbulen,  maka  akurasi  pengukuran metoda  waktu  tempuh  menurun.  Dengan  demikian  dapat  disimpulkan  bahwa  metoda korelasi silang memberikan hasil yang lebih baik.

## 6 Daftar Pustaka
[1] Merzkirch,  Wolfgang;  Klaus  Gersten;  Ernst  von  Lavante;  and  Volker  Hans. “Fluid Mechanics of Flow Metering”. Germany : Springer
[2] Gurevich,  Yuri;  Armando  Lopez;  Vahid  Askari;  Vahid  Safavi -Ardibili;  and  David  Zobin, “Performance  Evaluation  and  Field  Application  of  Clamp-On  Ultrasonic  Cross- Correlation Flowmeter, CROSSFLOW TM ”. Ontario Power Generation
[3] Hans, Volker. ”Ultrasonic Gas-Flow Measurement Using Correlation Method”, Germany : Universitat Duisburg-Essen
[4] Lysak, Peter D; David M. Jenkins;  Dean E. Capone; William  L. Brown. “ Analytical Model of  an  Ultrasonic  Cross-Correlation  Flowmeter,  Part  I  :  Stochastic  Modelling  of Turbulence ”, United States : Pennsylvania  State University