Alat pendeteksi pergerakan massa udara berupa arah angin dengan prinsip termal anemometer

Alat pendeteksi pergerakan massa udara berupa arah angin dengan prinsip termal anemometer

Latar Belakang

Berkat perkembangan teknologi, saat ini manusia telah dapat menentukan cuaca dengan menggunakan satelit. Dalam skala makro satelit dapat digunakan untuk mempelajari pembentukan awan, suhu, dan prakiraan cuaca, sedangkan dalam skala mikro berguna untuk mendeteksi kecepatan angin atau suhu di daerah tertentu.
Namun, pemanfaatan satelit dalam skala mikro, misalnya untuk mendeteksi kecepatan angin, belum dapat diandalkan. Salah satu upaya untuk mengatasi kendala tersebut adalah dengan pembuatan alat ukur otomatis berupa sensor angin.
Secara garis besar ada dua macam metode pendeteksian arah angin, yaitu metode mekanik dan metode perpindahan panas. Metode mekanik sudah sering digunakan sejak lama, seperti optokopler, potensiometer, dan magnet (Manan M.E dan Nasir A.A, 1980). Metode perpindahan panas seperti termopile, transistor, dan termokopel, memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan metode mekanik, yaitu dapat mendeteksi pergerakan angin yang sangat lambat dan pergerakan massa udara.


Karakteristik Angin

Angin adalah gerakan udara akibat pemanasan matahari yang tidak merata pada permukaan bumi. Angin mempunyai energi kinetik yang diperoleh dari perkalian antara massa dan kecepatan pergerakan udara.Terlihat bahwa energi yang dimiliki oleh angin adalah fungsi pangkat tiga dari kecepatannya.

Anemometer Termal

Anemometer termal adalah salah satu sensor yang digunakan untuk mengukur kecepatan fluida (angin) sesaat. Cara kerja dari sensor ini berdasarkan pada jumlah panas yang hilang secara konvektif dari sensor ke lingkungan sekeliling sensor. Besarnya panas yang dipindahkan dari sensor secara langsung berhubungan dengan kecepatan fluida yang melewati sensor. Jika hanya kecepatan fluida yang berubah, maka panas yang hilang bisa diinterpretasikan sebagai kecepatan fluida tersebut.
Bentuk anemometer termal yang secara umum digunakan adalah jenis Silinder (hot-film dan hot-wire). Hot-wire adalah kawat yang berukuran sangat kecil dan diberi panas, jenis ini paling banyak digunakan untuk mengukur kecepatan fluida. Selain untuk sensor kecepatan, hot-wire juga digunakan untuk mendeteksi suhu. Sensor hot-wire terdiri dari lapisan tipis yang bersifat konduktor dan ditempelkan pada substrat yang bersifat isolator. Sedangkan sensor flush (hot-film) digunakan untuk mengukur tegangan gesek (shear stress). Sensor hot-wire dan hot-film memiliki respon frekuensi yang tinggi dalam mendeteksi kecepatan angin sesaat ataupun kecepatan angin rata-rata. Bahan yang digunakan dalam sensor ini adalah tungsten dan platina, platina-iridium dan platina rodium.
Ada tiga jenis metode yang dapat digunakan dalam pengoperasian termal anemometer ini yaitu constant current anemometer (CCA), constant temperature anemometer (CTA), dan constant voltage anemometer (CVA). Prinsip CTA adalah mempertahankan suhu yang konstan di atas suhu lingkungan. Daya atau panas yang dibutuhkan untuk mempertahankan suhu sensor agar konstan digunakan untuk menghitung kecepatan angin. Anemometer termal CTA (Gambar 1) membutuhkan sensor kompensasi suhu karena perpindahan panas bergantung pada perbedaan suhu antara sensor yang dipanasi dengan lingkungan. Sensor kompensasi suhu ini akan mengindera suhu lingkungan, dan sebuah rangkaian elektronik umpan balik yang mengatur selisih suhu sensor angin dengan suhu lingkungan supaya tetap konstan melalui masukan yang diberikan oleh sensor kompensasi suhu tersebut. Pemberian daya (pemanasan) pada sensor angin yang semakin besar akan menyebabkan semakin besar pula panas yang hilang ke lingkungan sehingga akan memperbesar sinyal pembacaan alat.


Termokopel

Termokopel adalah sebuah transduser yang digunakan untuk mengukur suhu. Bentuk dari termokopel sangat halus dan dapat beroperasi dengan rentang suhu yang sangat besar. Sebuah termokopel terdiri dari dua buah kawat yang kedua ujungnya disambung sehingga menghasilkan suatu open-circuit voltage sebagai fungsi dari suhu, diketahui sebagai tegangan termolistrik atau disebut dengan seebeck voltage, yang ditemukan oleh Thomas Seebeck pada 1921. Hubungan antara tegangan dan pengaruhnya terhadap suhu masing-masing titik pertemuan dua buah kawat adalah linear.

Pembuatan sensor

Kawat Termokopel yang digunakan sebagai sensor terdiri dari kawat dengan bahan tembaga dan konstantan. Konstantan adalah logam campuran antara tembaga dan nikel, dengan ukuran diameter konstantan dan tembaga adalah 0.01 mm.

Kesimpulan

Hasil penelitian ini menunjukan bahwa pergerakan angin yang sangat kecil khususnya untuk kecepatan dibawah 1 meter per detik dapat dideteksi dengan anemometer termal. Dengan menggunakan kawat yang terdiri dari konstantan dan tembaga yang kedua ujungnya disambungkan dapat dideteksi terjadinya perbedaan suhu sensor dengan lingkungannya. Kemudian dapat dideteksi arah pergerakan angin dengan menambahkan dua buah termokopel yang berupa sambungan-sambungan kawat tersebut dengan sensor kecepatan berada di tengahnya.
Dengan bantuan perangkat lunak yang berfungsi untuk simulasi dalam penelitian ini didapat nilai-nilai berupa tegangan yang mengindikasikan adanya pergerakan angin tersebut. Arah angin yang didapat berdasarkan penelitian ini dan simulasi berkisar antara nol derajat sampai 360 derajat. Data yang didapat dari penelitian kisaran nilainya hampir sama dengan data hasil simulasi, dan data hasil penelitian tersebut hanya memperhatikan pergerakan arah angin secara laminar saja, tanpa ada faktor turbulensi.

DAFTAR PUSTAKA

Cooper, W D. 1993. Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran. Penerbit Erlangga. Jakarta
Dailey, D J. 1989. Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits : Theory and Applications. McGraw-Hill Book Company, New York
Giancoli, Douglas C. 1997. Fisika Dasar. Edisi Keempat. Penerbit Erlangga, Jakarta

Alif Ghazali
41407010009
Teknik elektro