BAB 3 PENGUKURAN KECEPATAN ALIRAN
3.2. Klasifikasi Flowmeter Berdasarkan Pendekatan Energi
3.2.2. Flowmeter Penghasil Diferensial Tekanan
Teknik pengukuran aliran yang menggunakan perbedaan tekanan (tekanan diffrensial) yang ditimbulkan oleh alat utama adalah cukup fleksibel dan cocok untuk berbagi kondisi instalasi. Faktor faktor yang diperlukan untuk menentukan alat utama mana yang digunakan adalah hampir-hampir tidak mungkin ditentukan.
Pada awal abad ke-17 telah ditemukan bahwa volume dari laju aliran sebanding dengan kecepatan dikali luas, dan laju aliran di dalam orifis berubah-ubah tergantung pada akar dari tinggi jatuh, perbedaan tekanan. Pada tahun 1738, John Bernouli menyusun persamaan dasar dari aliran pada flowmeter tipe tinggi jatuh dan di tahun 1797 Giovanni Battista Venturi menerbitkan hasil kerjanya tentang pipa venturi.
Dengan menggunakan dasar prinsip kerja venturi, Clemens Herschel mengembangkan pipa venturi secara komersial di tahun 1887, yang terbukti sebagai cara yang praktis dan ekonomis untuk mengukur volume yang besar dari fluida yang bergerak dalam perkembagan selanjutnya untuk mengukur volume gas natural dalam jumlah besar
ujungnya tajam dan berbentuk segi empat. Orifis ini bukan hanya terbukti memuaskan untuk pengukuran laju aliran gas, tapi juga lebih baik untuk aplikasi komersial lainnya. Hubungan konstunuitas untuk situasi ini adalah
Equation 3-1
dengan U = kecepatan, m/s A = Luas penampang, m2
ρ = Densitas fluida, kg/m3
Jenis venturi mempunyai keunggulan dalam ketelitiannya yang tinggi dan penurunan tekanannya yang kecil, tetapi dari segi biaya orifis lebih murah. Orifis mempunyai penurunan tekanan permanen yang relatif tinggi.
Pelat Orifis (Orifis Plate)
Orifice-meter adalah suatu head meter yang digunakan untuk mengukur beda tekanan aliran sebelum dan sesudah melewati orifis. Yang menjadi prinsip pengukuran aliran fluida dengan menggunakan orifice-meter adalah memberikan suatu gangguan pada aliran tersebut, sehingga keceptan alirannya akan dikonversi kedalam bentuk tekanan yang besarnya dapat dilihat pada manometer. Gangguan yang diberikan pada aliran ini adalah berupa suatu pelat yang disebut juga pelat orifis, sehingga alatnya disebut dengan orifice-meter.
Semakin besar penampang pipa/saluran, semakin kecil kecepatannya untuk mendapatkan jumlah aliran yang sama, begitu juga sebaliknya. Maka aliran fluida ketika melewati orifis akan mengalami perubahan kecepatan atau kecepatannya bertambah atau penambahan energi kinetis. Tetapi hukum kekekalan energi maupun hukum Bernoulli menyatakan bahwa energi total harus sama.
Setelah fluida melewati pelat orifis, secara teoritis kita akan dapat menentukan kecepatannya seperti semula (sama dengan kecepatan sebelum melewati pelat orifis), namun pada kenyataannya kita akan menemukan kehilangan energi tetap (Pressure Permanent Losses).
Jenis Pelat orifis ini banyak digunakan untuk mengukur suatu aliran fluida karena mempunyai kelebihan-kelebihan diantaranya :
- Sederhana kontruksinya - Mudah pembuatannya - Harga murah
- Mudah dikalibrasi - Mudah didapat/dibuat - Ketelitiannya cukup baik
Dari segi bentuk / letak penempatan pelat orifis didalam pipa, dapat dibedakan atas empat jenis :
a. Konsentrik
Sumbu orifis sepusat sumbu pipa. Tipe yang paling sering dipakai untuk mengukur aliran mantap dari fluida homogen, fluida cair, atau gas dalam lingkungan turbulen
b. Eksentrik
Sumbu orifis tidak sepusat sumbu pipa. Memiliki lubang yang bersinggungan dengan dinding sebelah dalam pipa dan lubang ini dapat dibuat dibagian bawah pipa supaya zat-zat padat non abrasif dapat mengalir dengan mudah (biasanya tidak lebih dari 5%) atau dibagian atas pipa supaya sejumlah kecil gas dalam aliran zat cair dapat mengalir keluar
c. Segmental
Mempunyai sumbu yang sepusat dengan sumbu pipa, tetapi lubang orifis hanya dapat dibuat setengah lingkaran.Digunakan untuk gas-gas kotor, tapi penggunaanya
d. Quadrant-edge
Memiliki saluran masuk yang konsentrik, namun ujung dari daerah aliran atas agak bulat dan tidak tajam seperti pada pelat konsentrik. tipe pelat ini menghasilkan koefisien discharge yang tetap konstan pada daerah bilangan Reynolds yang rendah yang biasanya terdapat pada aliran zat cair yang kental (viskositasnya tinggi) Dari pengalaman pemakaian orifis, ternyata pelat orifis akan mengumpulkan kotoran-kotoran yang lama kelamaan akan memadat pada bagian up-streamnya. Apabila hal ini dibiarkan maka ketelitian pengukuran akan berkurang, misalnya untuk aliran yang rendah maka bagian tengah akan mengalir dengan sedikit penyimpangan sehingga perhitungan akan lebih besar dari pada hasil pengukuran. Dan jika aliran tinggi maka akan terjadi pusaran-pusaran yang menyulitkan pengukuran.
Untuk mengatasi hal ini maka permukaan pelat orifis yang dilewati fluida dipoles sehalus mungkin dan dibuat tajam, sehingga seolah-olah seperti pisau bulat yang akan memotong aliran fluida yang melewatinya.
Secara umum, pelat orifis mewarisi keuntungan seperti mudah dan tidak mahal pemasangannya, tapi pemasangan awalnya lebih mahal karena diperlukan adanya pinggiran pelat orifis yang terdiri dari keran tekanan. Keuntungan lain dibandingkan dengan flowmeter lainnya adalah alat primer/utama dari pelat orifis tidak memiliki bagian yang bergerak dan sensor dari tekanan diffrensial / berbedaan tekanan dapat dipindahkan jika terdapat kesalahan tanpa menghentikan proses yang sedang berlangsung.
Perancangan Instalasi Pengujian Pelat Orifis
Untuk orifis-meter, besarnya koefisien pengeluaran tergantung pada perbandingan diameter lubang dengan diameter pipa (β), bilangan, Reynolds dan lokasi lobang pengukur tekanan.
diameter, maka pemilihan besarnya diameter saluran/pipa dan diameter lubang orifis harus diperhatikan. Pada umumnya besar perbandingan diameter bervariasi antara 0,2 s/d 0,8 (refrensi 2)
Pada instalasi pengujian ini dipergunakan pipa acrylic, yang mempunyai tujuan agar aliran fluida dapat jelas diamati dan pelat orifis terbuat dari stainles-steel. Sebagai alat penyambung pipa atau untuk penempatan pelat orifis dipergunakan flens yang terbuat dari acrylic. Besar tekanan yang akan diukur adalah tekanan statik, oleh karena itu pengukuran harus dilakukan dalam arah tegak lurus aliran.
Pipa Venturi (Venturi Tube)
Salah satu jenis alat ukur aliran-aliran fluida adalah Venturimeter. Alat ukur venturimeter in ibekerja berdasarkan pengukuran beda tekanan lewat suatu penyempitan penampang, yang dapat diukur dan dicari hubungannya dengan kecepatan aliran fluida. sehingga dengan mengetahui perbedaan tekanan maka dapat diketahui pula jumlah aliran yang melewati venturimeter tersebut.
Biasanya venturimeter ini digunakan untuk mengukur laju aliran di dalam pipa, yang maksudnya antara lain adalah untuk menentukan jumlah fluida yang masuk dan keluar dari suatu proses, menentukan jumlah fluida yang mengalir persatuan waktu.
Sedangkan macam-macam konstruksi venturi meter, ada yang sudah dibakukan oleh ASME (American Society of Mechanical Engineering), yang karakteristiknya sesuai dengan kontruksi venturimeter yang telah disarankan tersebut.
Dalam proses alirannya, fluida yang mengalir melewati venturimeter ini mengalami perubahan karakteristik aliran, seperti misalnya perubahan kecepatan aliran maupun tekanannya. Jenis venturimeter ini banyak dipergunakan untuk mengukur suatu aliran fluida karena mempunyai banyak keuntungan-keuntungan, selain ada pula kerugiannya.
ketelitian yang paling tinggi diantara semua alat pengukur aliran fluida yang berdasarkan beda tekanan (orifis dan Nosel aliran).
2. Mempunyai penurunan tekanan yang lebih kecil pada kapasitas yang sama. 3. Dapat pengukur debit aliran yang besar
4. Jauh dari kemungkinan tersumbat kotoran. sedangkan Kerugiannya adalah,
1. Dari segi biaya, venturimeter lebih mahal harganya 2. Sulit dalam pemasangan karena panjang
Pada sadarnya terdapat 2 tipe pipa venturi yang digunakan saat ini , yaitu : 1. Tipe klasik/pipa venturi Herschel
2. Venturi nozzle
Keuntungan dari venturi jika dibandingkan dengan pelat orifis adalah pada kapasitasnya untuk mengendalikan aliran yang lebih besar dengan menerapkan hilangnya tekanan permanen yang lebih kecil pada sistem. Misalnya : untuk ratio β yang sama, kapasitas aliran sebuah venturi lebih besar 60% daripada orifice dan besarnya tekanan yang hilang hanya 10 - 20% dari tekanan diffrensial yang terukur.
Pipa venturi digunakan untuk mengukur laju aliran di dalam pipa. Alat ukur ini pada umumnya berupa benda tuangan yang terdiri dari :
• bagian hulu, yang berukuran sama dengan pipa dan mempunyai cincin piezzometer untuk mengukur tekanan statik
• daerah kerucut konvergen
• leher yang berbentuk silinder yang berukuran sama dengan pipa.
Sebuah manometer diffrensial dipasang pada kedua cincin pizometer. ukuran venturi dispesifikasikan dengan garis tengah pipa dan leher, misalnya venturi 6 kali 4 inch cocok dengan pipa yang bergaris tengah 6 inch dan mempunyai leher yang bergaris tengah 4 inch.
menigkat dan sesuai dengan hal itu maka tekanan sangat berkurang. Akan dibuktikan bahwa banyaknya debit dalam hal aliran tak mampu mampat (incompresible flow) merupakan fungsi penunjukkan manometer.
Tekanan di penampang hulu dan leher adalah tekanan nyata, dan kecepatan-kecepatan dari persamaan Bernoulli adalah kecepatan-kecepatan teoritis. Bila dalam persamaan energi kerugian diperhitungkan, maka kecepatan-kecepatan merupakan kecepatan nyata. Dengan persamaan Bernoulli diperoleh kecepatan teoritik dileher. Pengalian kecepatan ini dengan koefisien kecepatan CV1 di dapat kecepatan nyata.