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 :
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgsoAzaRxa63XBVEORcqfO_RsmO6GQ6KdfTP6FVyrSKpRNv7AAKsYJYLxJVSDc5yubP2W5SxyynAQj3wTZi9s9y6i15bHngnbPsB_oAeGCKr0uQesqjyXBaW0pKTaSXdhvAdMMs4HWE-aEM/s320/Screenshot_23.png)
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
At = luas tabung
Af = luas pelampung
Vf = volume pelampung
Wf = berat jenis pelampung
Wff = berat jenis fluida yang
mengalir
![]() |
Rotameter |
Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda
kerapatan yang diperlukan (Wf-Wff) 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
![]() |
Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonik |
meter dengan Efek
Doppler ini memenpaatkan perubahan frekuensi, dengan rumus :
Pemisahan frekuensi
pancar denga frekuensi terima dilakukan dengan heterodyne,
mendapatkan HPF
untuk mendapatkan sinyal AC saja
![]() |
Doppler flowmeter, (a) geometry, (b) response, (c) block diagram of readout. |
NICE, VERY SIMPLE AND USEFULL
BalasHapus