2

2. Pengukuran

1. Pendahuluan

2. Pengukuran

2.1. Teori Pengukuran

2.2. Teknik Pengukuran

2.2.1.Temperature 2.2.2. Tekanan 2.2.3. Aliran

Pengukuran aliran fluida merupakan aspek penting dalam proses kontrol. Malahan kuantitas ini merupakan suatu variable proses yang sering diukur. Aliran umumnya diukur secara inferensial (kumulatif) dengan mengukur kecepatan yang melalui suatu luasan yang diketahui. Dengan metode tak langsung ini, aliran yang diukur adalah volume laju aliran, Qv, yang dituliskan dalam bentuk sederhana sbb :

Qv=AxV

Dalam persamaan diatas, A adalah luas penampang dari pipa dan V adalah kecepatan fluida.Faktor-faktor yang mempengaruhi laju aliran didalam pipa

Faktor-faktor utama yang mempengaruhi aliran fluida melalui sebuah pipa adalah :

Kecepatan fluida (V,m/s)

Friksi antara fluida yang kontak dengan pipa

Viskositas dari fluida () Densitas dari fluida (, kg/m3)Telah ditemukan bahwa faktor-faktor aliran yang paling penting dapat dikorelasikan secara bersama didalam suatu parameter tak bersatuan yang disebut sebagai bilangan Reynolds, yang akan menjelaskan aliran dari semua bentuk kecepatan, viskositas, dan ukuran pipa. Secara umum, didefinisikan rasio antara gaya kecepatan yang mengendalikan fluida terhadap gaya viskos yang menahan fluida :

dimana V kecepatan (m/s), d diameter pipa (m), densitas (kg/m3), (kg/m.s)

Pada kecepatan yang amat rendah, RD akan bernilai kecil dan fluida yang mengalir dalam lapisan yang mulus dengan kecepatan tertingginya pada bagian tengah pipa dan kecepatan terendahnya pada bagian pinggir pipa dimana gaya viskos akan menahannya. Aliran jenis ini dinamakan aliran laminar dan direpresentasikan oleh bilangan Reynolds dibawah 2000. Satu karakteristik yang signifikan dari aliran laminar adalah bentuk parabolik dari profil kecepatannya.

Pada kecepatan yang lebih tinggi atau viskositas yang rendah, aliran pecah menjadi olakan turbulen dimana mayoritas dari aliran yang mempunyai kecepatan rata-rata yang sama. Pada aliran turbulen, viskositas fluida tidak terlalu signifikan dan profil kecepatan lebih uniform. Aliran turbulen direpresentasikan oleh bilangan Reynolds diatas 4000.

Jika suatu aliran mempunyai bilangan Reynolds antara 2000 dan 4000, aliran dikatakan dalam transisi.

Pengukuran aliran akan dibagi menjadi 4 pembahasan yaitu

1. Positive Displacement (PD)

2. Differential Pressure

3. Velocity Meter

4. Lain-lain

Positive Displacement Meter

Flowmeter mengukur laju aliran volumetrik dari fluida cair atau fluida gas dengan cara memisahkan arus aliran kedalam volume yang diketahui dan menghitungnya terhadap waktu. Vane, gear, piston dan diafragma biasanya digunakan untuk memisahkan fluida tersebut. Penggambarannya seperti cara primitif jaman dahulu, orang menggunakan takaran (misalnya untuk menjual minyak tanah), dan diciduk berapa takaran. Pada PD meter penakaran bisa dilakukan secara kontinu dengan takaran yang berputar pada porosnya. Flowmeter PD memberikan akurasi yang baik sampai dengan istimewa dan salah satu dari banyak teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur cairan viskos.

Gambar 1. Prinsip operasi flowmeter PD

Jenis-jenis flowmeter yang berada di pasaran

GambarPenjelasan Singkat

The Sliding Vane Meter - Sliding vanes rotate in contact with the meter casing.

The Oval Gear Meter - Oval gears , intermeshed and sliding around in close proximity to a fixed casing. The Piston Displacement Meter - Reciprocating Pistons interconnected with a common crankshaft displacing fluid through a unidirectional valve arrangement.

The Rotary Piston Meter - A rotating piston displacing fluid by moving eccentrically around the inside of the meter casing between inlet and outlet ports, the piston being a sliding fit around the inside of the meter casing.

The Nutating Disc Meter - A nutating disc moving in close contact with a machined casing is caused to displace a fixed volume per revolution by the fluid passage.

The Bi-Rotor Meter - Two Rotors geared to move with a small clearance around the meter casing , containing machined recesses to pass a fixed volume of fluid per revolution.

The Helix Flowmeter - Two radially -pitched helical rotors geared to move together with a small clearance between themselves and the casing . The two rotors when running together thus displace fluid axially from one end of the chamber to the other.

Differential Pressure Flowmeter

Orifice, venturi tube,flow nozzle,pitot tube, , elbow tap meter

Flowmeter Differensial Pressure merupakan metoda yang paling umum untuk mengukur aliran fluida secara tidak langsung dengan menciptakan dan mengukur perbedaan tekanan dimana tekniknya adalah mengganggu aliran fluida. Dengan menggunakan koefisien konversi yang bergantung pada jenis restriktor dan diameter pipa, pengukuran dari perbedaan tekanan dapat diterjemahkan sebagai laju volume.

Dari persamaan kontinuitas, dengan mengasumsikan bahwa densitas konstan (fluida tak mampu mampat), dapat dilihat bahwa

Qv=V1A1=V2A2

Persamaan ini merupakan salah satu hubungan yang paling penting dalam mekanika fluida. Persamaan ini juga menunjukkan bahwa untuk kondisi tunak serta aliran yang seragam maka seiring dengan menurunnya diameter pipa akan menghasilkan kenaikan kecepatan fluida. Sebagai tambahan dari persamaan Bernoulli untuk masalah konservasi energi, dapat dilihat bahwa pressure head total (H) harus tetap konstan dimanapun sepanjang aliran, atau dapat dinyatakan sebagai berikut :

H = konstan

Suku pertama dari persamaan diatas disebut sebagai energi potensial, sedangkan suku kedua disebut sebagai energi kinetik. Karena penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik selalu konstan, akan terlihat jelas bahwa seiring dengan meningkatnya kecepatan seperti ditunjukkan Persamaan Kontinuitas diatas maka energi potensial akan semakin menurun. Hubungan ini merupakan basis dari cara kerja semua tipe meter differential pressure.

Orifice Plates

Suatu plat orifice yang konsentrik merupakan differential pressure meter yang paling sederhana dan murah. Plat orifice membatasi aliran fluida yang akan menghasilkan perbedaan tekanan (differential pressure) sepanjang plat. Hasilnya adalah tekanan yang tinggi pada daerah hulu dan tekanan yang rendah pada daerah hilir yang akan sebanding pula dengan kuadrat kecepatan aliran. Plat orifice biasanya menghasilkan rugi tekanan keseluruhan yang lebih besar daripada alat yang lain. Untuk aplikasi custody transfer pada gas, sangatlah umum melihat sistem meter plat orifice besar yang akan menghasilkan akurasi yang lebih tinggi yang akan diacu sebagai meter plat orifice senior.

Gambar 2. Orifice Plate

Ventury Tube

Tabung venturi menghasilkan rugi tekanan yang sangat rendah dibandingkan dengan semua meter differential pressure, tetapi biasanya juga yang paling besar ukurannya dan harganya paling mahal. Cara kerjanya adalah dengan mempersempit diameter pipa secara berangsur-angsur dan kemudian mengukur penurunan tekanannya. Kemudian bagian dari meter ini akan mengembalikan aliran ke tekanan semula. Pengukuran perbedaan tekanan ini kemudian dikonversi menjadi laju aliran. Umumnya tabung venturi yang dipakai berdiameter cukup besar seperti plant pembuangan limbah karena bentuknya yang secara berangsur melandai akan memudahkan padatan dapat mengalir dengan mudah jika berdiameter cukup besar. Aplikasi venturi biasanya dibatasi untuk praktek pengukuran yang membutuhkan penurunan tekanan yang kecil dan membutuhkan pembacaan dengan akurasi yang tinggi seperti pengukuran aliran air atau larutan kimia termasuk fluida korosif.

Gambar 3. Ventury Tube

Flow Nozzle

Flow nozzle dapat dianggap sebagai variasi tabung venturi. Bukaan nozzle berbentuk restriksi eliptikal didalam aliran tetapi tanpa luasan keluaran untuk mengembalikan tekanan ke bentuk semula. Tap tekanan terletak di sekitar 1/2 diameter pipa pada arah hilir dan 1 diameter pipa pada arah hulu. Flow nozzle adalah flowmeter berkecepatan tinggi yang digunakan ketika turbulensi besar (bilangan Reynold diatas 50.000) seperti pada aliran pada temperatur tinggi. Penurunan tekanan pada flow nozzle berkisar antara tabung venturi dan plat orifice (30% sampai 95%).

Gambar 4. Flow Nozzle

Tabung Pitot

Secara umum, sebuah tabung pitot untuk pengukuran aliran terdiri dari dua tabung berongga yang akan merasakan tekanan pada tempat yang berbeda didalam pipa. Tabung dapat dipasang secara terpisah didalam pipa atau dipasang bersama-sama didalam satu casing sebagai satu perangkat.

Gambar 5. Tabung Pitot

Satu tabung mengukur tekanan stagnan atau tekanan tumbuk (energi potensial dan energi kinetik) pada satu titik aliran. Tabung lainnya mengukur tekanan statik (energi potensial), biasanya pada bagian dinding pipa. Perbedaan tekanan yang diukur melalui tabung pitot ini sebanding dengan kuadrat kecepatan. Untuk menginstalasi tabung pitot, anda harus menentukan lokasi dimana kecepatan maksimumnya melintas. Meskipun sebuah tabung pitot dapat dikalibrasi untuk mengukur aliran fluida + 0.5%, perubahan profil kecepatan dapat menyebabkan kesalahan yang signifikan. Tabung pitot umumnya digunakan untuk mengukur gas karena perubahan kecepatan aliran rata-rata dan kecepatan pada bagian tengah pipa tidak sesubstansial fluida lainnya. Tabung pitot mempunyai aplikasi yang terbatas pada pasaran karena dapat dengan mudah tersumbat dengan material yang terdapat didalam fluida. Akurasinya juga bergantung pada profil kecepatan yang mana akan susah untuk diukur.

Velocity Meter

(target meter, rotameter)Ketika menggunakan variabel kecepatan untuk mengukur laju aliran, perangkat primernya menghasilkan sinyal yang sebanding dengan kecepatan fluida. Persamaan Qv=AxV menggambarkan bahwa sinyal yang dihasilkan linier terhadap volume laju aliran. Velocity meter umumnya kurang sensitif terhadap profil kecepatan dibandingkan differential pressure meter, beberapa tidak berpenghalang, dan karenanya dapat menghasilkan keluaran yang linier terhadap aliran. Hal ini akan menghilangkan potensi ketidakakuratan yang berkaitan dengan akar ekstraksi dan menjelaskan kemampuan rentang yang lebih besar dari velocity meter dibandingkan dengan differential pressure meter.

Target Meter

Target meter terdiri dari suatu piringan atau sebuah target yang diletakkan di tengah pipa. Permukaan target diposisikan pada sudut yang cukup baik terhadap aliran fluida (lihat Gambar 6a). Gambar 6b Menunjukkan perbedaan tekanan antara permukaan depan dan belakang dari piringan bundar yang dihasilkan dari aliran yang berjalan dari kiri ke kanan. Gaya hambat yang bekerja ditransmisikan melalui lengan kantilever ke tabung flexure yang secara unik didesain yang akan membolehkan elemen strain gage untuk dipasang di luar medium bergerak. Empat lengan jembatan strain gage tersebut menyediakan resolusi tak terhingga, linieritas yang tinggi, sensitivitas yang istimewa, kompensasi temperatur yang berentang lebar dan histerisisnya nol (Gambar 6c).

Fluida yang dapat diukur mulai dari yang tersedimen atau panas, cairan berter (tarry liquid) seperti Bunker C, hidrokarbon, asam atau larutan kaustik, air, udara, gas alam, amonia, klorin, gas kimia dan uap yang superjenuh.

(a)(c)

(b)

Gambar 6. Target Meter.

(a) Skematik Target Meter,(b) Aliran fluida melalui target (c) Steam Meter Body

Rotameter

Rotameter (dikenal juga sebagai variable-area flowmeter) umumnya dibuat dari sebuah tabung kaca yang dibuat meruncing dan diposisikan secara vertikal terhadap aliran fluida. Sebuah float yang ukurannya sama dengan dasar dari tabung kaca akan bergerak ke atas karena jumlah aliran yang mendesaknya. Karena diameter dari tabung semakin membesar daripada di dasar, float akan berada pada titik dimana perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah diseimbangkan dengan berat float. Pada banyak penerapan rotameter, laju aliran dibaca secara langsung dari skala yang tertera pada kaca, pada penerapan lainnya, perangkat sensor otomatik digunakan untuk mengukur level dari float dan mentransmisikan sinyal aliran. Rotameter transmisi seringkali dibuat dari baja tahan karat atau material lain untuk penerapan fluida yang bervariasi dan pada tekanan yang lebih tinggi. Rotameter mempunyai ukuran yang bervariasi dari inci sampai lebih besar dari 6 inci. Rotameter tersebut mengukur pita yang lebih lebar dari aliran (10 banding 1) daripada plat orifis dengan akurasi + 2%, dan tekanan operasi maksimum 300 psig jika dikonstruksi dengan kaca. Rotameter umumnya digunakan untuk aliran pembersihan dan level.

Gambar 7. Rotameter

Lain-Lain

Magnetic Flowmeter

Prinsip kerja magnetic flowmeter adalah berdasarkan Hukum Faraday untuk induksi elektromagnetik : Suatu tegangan akan diinduksikan melalui suatu konduktor bergerak yang melalui suatu medan magnetik.

Gambar 8. Magnetic Flowmeter

Hukum Faraday :

E=kBDV

Dimana E= tegangan terinduksi, B = Kuat medan magnet, D = Lebar konduktor, V = kecepatan konduktor. Besarnya tegangan yang diinduksi E adalah berbanding lurus dengan kecepatan konduktor V, lebar konduktor D, dan kuat medan magnet B. Koil medan magnet ditempatkan pada sisi yang berlawanan dari pipa yang menghasilkan medan magnet. Seiring dengan bergeraknya cairan proses melalui medan dengan kecepatan rata-rata V, elektroda akan merasakan tegangan terinduksi. Lebar konduktor direpresentasikan oleh jarak antar elektroda. Liner yang terinsulasi mencegah sinyal supaya tidak terhubung pendek melalui dinding pipa. Variable pada penerapan hukum Faraday adalah kecepatan pada cairan konduktif V karena kekuatan medan dikontrol secara konstan dan jarak antar elektroda dibuat tetap. Sehingga keluaran tegangan E berbanding lurus dengan kecepatan cairan, menghasilkan keluaran magnetik linier yang juga kana menghasilkan keluaran yang linier dari magnetic flowmeter.

Turbine meter

Turbine meter menggunakan rotor multi bilah yang didukung oleh poros didalam bagian pipa yang tegak lurus terhadap aliran. Fluida menggerakkan rotor pada kecepatan yang sebanding dengan kecepatan fluida dan juga terhadap volume laju aliran. Koil magnetik diluar di luar meter akan menghasilkan tegangan bolak-balik setiap bilah memotong garis fluks magnet koil. Setiap pulsa, merepresentasikan suatu volume diskrit dari cairan. Karena rotor biasanya dibuat dari baja tahan karat, biasanya cukup sesuai dengan banyak jenis fluida. Poros yang diperlukan untuk mendukung rotor harus dapat memperbolehkan rotor bergerak bebas pada kecepatan tinggi, yang mana memerlukan proses yang bersih. Turbine meter umumnya terdapat dalam ukuran-ukuran pipa yang kurang dari inci sampai dengan 12 inci. Turbine meter mempunyai respon yang cepat dan akurasi yang bagus.

(a)(c)

(b)

Gambar 9. Turbine Meter.(a) Contoh Turbine Meter (b) Putaran coil vs tegangan (c) Skematik Turbine meter

_1103318315.unknown

_1103321056.unknown

_1103321588.unknown

_1103318273.unknown