Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor )

Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik.

Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan sebagai berikut:

1. Pengukuran kuantitas

Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui kapasitasnya.

Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut :

a. Pengukur gravimetri atau pengukuran berat

b. Pengukur volumetri untuk cairan

c. Pengukur volumetri untuk gas

2. Pengukuran laju aliran

Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni:

Q = A.V

tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut:

Q = K.A.V

di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstanta ini bisa didapatkan melalui eksperimen.

Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukuran ini dikelompokkan lagi menurut jenis bahan yang diukur, cairan atau gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut:

a. Pengukuran laju aliran untuk cairan:

1) jenis baling-baling defleksi

2) jenis baling-baling rotasi

3) jenis baling-baling heliks

4) jenis turbin

5) pengukur kombinasi

6) pengukur aliran magnetis

7) pengukur aliran ultrasonic

8) pengukur aliran kisaran (vorteks)

Vortex shedding flowmeter, (a) flowmeter geometry, (b) response, (c) readout block diagram.

9) pengukur pusaran (swirl)

b. Pengukuran laju aliran gas

1) jenis baling-baling defleksi

2) jenis baling-baling rotasi

3) jenis termal

1. Pengukuran metoda diferensial tekanan

Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah..

Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar (pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai apabila gerakan partikel menjadi lebih acak dan kompleks.

Kecepatan kira-kira di mana perubahan ini terjadi dinamakan kecepatan kritis dan aliran pada tingkat kelajuan yang lebih tinggi dinamakan turbulen dan pada tingkat kelajuan lebih rendah dinamakan laminer.

Kecepatan kritis dinamakan juga angka Reynold, dituliskan tanpa dimensi:

di mana :

D = dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter

ρ = kerapatan fluida

V = kecepatan fluida

μ = kecepatan absolut fluida

Batas kecepatan kritisuntuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300.

Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow meter, rotameter, cara thermal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan.

1. Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan

Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

dimana: P = tekanan fluida

ρ = masa jenis fluida

v = kecepatan fulida

g = gravitasi bumi

h = tinggi fluida (elevasi)

Hukum Kontiunitas

Jika h₁ dan h₂ dibuat sama tingginya maka :

atau

Perhatian : Rumus diatas hanya berlaku untuk aliran Laminer, yaitu aliran yang memenuhi prinsip kontinuitas.

Pipa pitot, orifice plate, pipa venturi dan flow Nozzle menggunakan hukum Bernoulli diatas. Prinsip dasarnya adalah membentuk sedikit perubahan kecepatan dari aliran fluida sehingga diperoleh perubahan tekanan yang dapat diamati. Pengubahan kecepatan aliran fluida dapat dilakukan dengan mengubah diameter pipa, hubungan ini diperoleh dari Hukum kontiunitas aliran fluida.

Perhatikan rumus berikut: A1 x D1 = A2 x D2

di mana : A = luas penampang pipa

D = debit fluida

Karena debit fluida berhubungan langsung dengan kecepatan fluida, maka jelas kecepatan fluida dapat diubah dengan cara mengubah diameter pipa.

Kelompok sensor aliran:

A. Pressure based flow sensors

B. Turbine flow sensors

C. Jenis khusus

A. Pressure based flow sensors

1.1. Orifice Plate

Alat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet (P₁) dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet (P₂). Jika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan P₁ akan lebih besar dari tekanan outlet P₂.

Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari :

1. Konstruksi sederhana

2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan.

3. Harga pembuatan alat cukup murah

4. Output cukup besar

Kerugian menggunakan cara ini adalah :

1. Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet.

2. Jangkauan pengukuran sangat rendah

3. Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer.

4. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah.

Orifice Plate

Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m³/dt) adalah :

di mana : Q = jumlah fluida yang mengalir ( m³/dt)

K = konstanta pipa

A₂= luas penampang pipa sempit

P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2

ρ = masa jenis fluida

g = gravitasi bumi

Rumus ini juga berlaku untuk pipa venturi

1.2. Pipa Venturi

Bentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture.

Pada pipa venture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama (P₁) diletakkan pada sudut tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada bagian yang plaing menjorok ke tengah. Pipa venturi biasa dipergunakan untuk mengukur aliran cairan.

Keuntungan dari pipa venturi adalah:

1.Partikel padatan masih melewati alat ukur

2. Kapasitas aliran cukup besar

3. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate.

4. Tahan terhadapa gesakan fluida.

Kerugiannya adalah:

1. Ukuiran menjadi lebih besar

2. Lebih mahal dari orifice plate

3. Beda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

Pipa Venturi

1.3. Flow Nozzle

Tipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara sambungan pipa sensor tekanan P₁ dibagian inlet dan P₂ dibagian outlet. Tekanan P₂ lebih kecil dibandingkan P₁. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabanding venture dan orifice plate yaitu:

1. Masih dapat melewatkan padatan

2. Kapasitas aliran cukup besar

3. Mudah dalam pemasangan

4. Tahan terhadap gesekan fluida

5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi

6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer

1.4. Pipa Pitot

Pitot tube ialah pipa terbuka kecil dimana permukaannya bersentuhan langsung dengan aliran. Terdiri dari 2 pipa, yaitu :

• Static tube (untuk mengukur tekanan statis)

Pipa ini membuka secara tegak lurus sampai ke aliran sehingga dapat diketahui tekanan statisnya.

• Impact/stagnation tube (untuk mengukur tekanan stagnasi = velocity head)

Impact pressure selalu lebih besar daripada static pressure dan perbedaan antara kedua tekanan ini sebanding dengan kecepatan.

Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. Alat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat.

Cara kerja pitot tube :

Pipa yang mengukur tekanan statis terletak secara radial pada batang yang dihubungkan ke manometer (pstat)
Tekanan pada ujung pipa di mana fluida masuk merupakan tekanan stagnasi(p0)
Kedua pengukuran tekanan tersebut dimasukkan dalam persamaan Bernoulli untuk mengetahui kecepatan alirannya
Sulit untuk mendapat hasil pengukuran tekanan stagnasi secara nyata karena adanya friksi pada pipa. Hasil pengukuran selalu lebih kecil dari kenyataan akibat faktor C (friksi empirik)

P0 = stagnation pressure

Pstat = static pressure

Pipa Pitot

Prinsip dari pitot tube :

Energi kinetik dikonversikan menjadi static pressure head
Aplikasi pipa pitot
— Mengukur kecepatan pada pesawat (airspeed)
Altimeter pesawat
Mengukur tekanan fluida pada wind tunnel (terowongan angin)

Skema Pipa Pitot

1.5. Rotameter

Rotameter terdiridari tabung vertikal dengan lubang gerak di mana kedudukan pelampung dianggap vertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung. Untuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap stasioner karena gaya vertical dari tekanan diferensial, gravitasi, kekentalan, dan gaya-apung akan berimbang. Jadi kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan tergantung pada luas dapat ditentukan. Gaya kebawah (gravitasi dikurangi gaya apung) adalah konstan dan demikian pula gaya keatas (penurunan tekanan dikalikan luas pelampung) juga harus konstan. Dengan mengasumsikan aliran non kompresif, hasilnya adalah sebagai berikut:

Di mana, Q = laju aliran volume

C = koefisien pengosongan

A_t = luas tabung

A_f = luas pelampung

V_f = volume pelampung

W_f = berat jenis pelampung

W_ff= berat jenis fluida yang mengalir

Rotameter

Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yang diperlukan (W_f-W_ff) untuk mengukur cairan atau gas tertentu. Tabung sering dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung terhadap kedudukan pelampung.

B. Turbine flow sensors

Turbine flow sensors

Disebut juga flow meter, menggunakan tongkat roda (paddle wheel) atau baling-baling yang diletakkan pada garis aliran. Kecepatan rotasi dari roda berbanding langsung dengan kecepatan aliran.

Aliran medium akan mengeliminasi tipe sensor ini untuk beberapa aplikasi, khususnya temperatur tinggi atau fluida tipe abrasive.

Turbine Flow Sensor

C. Jenis khusus

1. Cara-cara Thermal

Cara-cara thermal biasanya dipergunakan untuk mengukur aliran udara. Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara-cara :

Anemometer kawat panas
Teknik perambatan panas
Teknik penggetaran

1.1. Anemometer Kawat Panas

Metoda ini cukup sederhana yaitu dengan menggunakan kawat yang dipanaskan oleh aliran listrik, arus yang mengalir pada kawat dibuat tetap konstan menggunakan sumber arus konstan. Jika ada aliran udara, maka kawat akan mendingin (seperti kita meniup lilin) dengan mendinginnya kawat, maka resistansi kawat menurun. Karena dipergunakan sumber arus konstan, maka kita dapat menyensor tegangan pada ujung-ujung kawat. Sensor jenis ini memiliki sensitivitas sangat baik untuk menyensor aliran gas yang lambat. Namun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit.

Disini berlaku rumus :

di mana : I = arus kawat

Rw = resistansi kawat

Kc = faktor konversi, panas ke daya listrik

Tw = temperatur kawat

Tt = temperatur fluida yang mengalir

Hc = koefisien film (pelapis) dari perpindahan panas

A = luas perpindahan panas

Thermal-type mass flowmeters: (a) internally heated thermiostor, (b) readout, (c) separated heater tyoe, (d) heated capillry type.

1.2. Perambatan Panas

Pada teknik perambatan panas, pemanas dipasang pada bagian luar pipa, pipa tersebut terbuat dari bahan logam. Di kiri dan kanan pemanas, dipasang bahan isolator panas, dan pada isolator ini dipasang sensor suhu. Bila udara mengalir dari kiri ke kanan, maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan.

Flowmeter Rambatan Panas

Sensor suhu yang digunakan dapat berupa sensor resistif tetapi yang biasa terpasang adalah thermokopel karena memiliki respon suhu yang cepat. Sensor aliran perambatan panas tipe lama, memanaskan seluruh bagian dari saluran udara, sehingga dibutuhkan pemanas sampai puluhan kilowatt, untuk mengurangi daya panas tersebut digunakan tipe baru dengan membelokkan sebagian kecil udara kedalam sensor.

2. Flowmeter Radio Aktif

Teknik pengukuran aliran dengan radio aktif adalah dengan menembakkan partikel netron dari sebuah pemancar radio aktif. Pada jarak tertentu ke arah outlet, dipasang detector. Bila terjadi aliran, maka akan terdeteksi adanya partikel radio aktif, jumlah partikel yang terdeteksi pada selang tertentu akan sebanding dengan kecepatan aliran fluida.

Teknik lain yang masih menggunakan teknik radio aktif adalah dengan cara mencampurkan bahan radio aktif kedalam fluida kemudian pada bagian-bagian tertentu dipasang detector. Teknik ini dilakukan bila terjadi kesulitan mengukur misalnya karena bahan aliran terdiri dari zat yang berada pada berbagai fase.Teknik radio aktif ini juga bila dipergunakan pada pengobatan yaitu mencari posisi pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan.

Flowmeter Cara Radiasi Nuklir

3. Flowmeter Elektromagnetis

Flowmeter jenis ini biasa digunakan untuk mengukur aliran cairan elektrolit. Flowmeter ini menggunakan prinsip Efek Hall, dua buah gulungan kawat tembaga dengan inti besi dipasang pada pipa agar membangkitkan medan magnetik. Dua buah elektroda dipasang pada bagian dalam pipa dengan posisi tegak lurus arus medan magnet dan tegak lurus terhadap aliran fluida.

Bila terjadi aliran fluida, maka ion-ion posistif dan ion-ino negatif membelok ke arah elektroda. Dengan demikian terjadi beda tegangan pada elektroda-elektrodanya. Untuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat digunakan arus AC sebagai pembangkit medan magnet.

Beda potensial yang terjadi dinyatakan dengan rumus, yaitu:

Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan Efek Hall

4. Flowmeter Ultrasonic

Flowmeter ini menggunakan Azas Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa, untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonik