A. Latar Belakang
Kemajuan dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin pesat, dimana telah diciptakan berbagai peralatan yang modern dalam hal mempercepat dan mempermudah suatu pekerjaan khususnya dalam industri. Setiap alat yang digunakan untuk dioperasikan dalam sebuah pabrik dilengkapi dengan instrumen untuk mengukur parameter-parameter tertentu sesuai kondisi operasi yang harus dipantau setiap saat.
Operasi di industri seperti kilang minyak dan petrokimia sangat bergantung pada pengukuran dan pengendalian besaran proses. Beberapa besaran proses yang harus diukur dan dikendalikan pada suatu industri tersebut misalnya aliran (flow) di dalam pipa, tekanan (pressure) di dalam sebuah tangki, suhu di daerah pertukaran panas (heat exchange), serta permukaan zat cair di sebuah tangki.
Pengukuran massa aliran fluida merupakan variabel penting di dalam proses industri. Pengukuran ini bertujuan menentukan proporsi dan jumlah bahan yang digunakan atau didistribusikan di dalam proses industri. Di dalam industri seperti kilang minyak, pengukuran massa fluida sulit untuk dilakukan secara manual, karena fluida yang akan diukur dalam jumlah yang sangat besar.
Untuk mengukur massa aliran dalam sebuah pipa maka digunakanlah alat yang dinamakan flowmeter. Flowmeter memiliki beberapa jenis sesuai dengan kebutuhannya, salah satunya adalah Coriolis mass flowmeter yang menggunakan efek Coriolis untuk mengukur massa aliran dan densitas fluida.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang dari penulisan makalah ini, dapat dirumuskan bahwa permasalahannya adalah “Bagaimana prinsip kerja Coriolis mass flowmeter?”
C. Batasan Masalah
Agar pembahasan makalah ini dapat fokus dan tidak melebar, maka dibatasi hanya untuk membahas tentang prinsip kerja Coriolis mass flowmeter.
D. Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui prinsip kerja Coriolis mass flowmeter.
E. Manfaat Penulisan
Manfaat yang diharapkan dari penulisan makalah ini nantinya adalah : 1. Memperkaya wawasan penulis tentang konsep fisika pada flowmeter
khususnya Coriolis mass flowmeter.
BAB II tersebut. Bumi selalu berotasi, dan rotasi tersebut selalu menimbulkan fenomena alam. Salah satunya adalah angin yang dikenal dengan angin utama (angin timur, barat, dan pasat). Bumi merupakan sebuah bola (globe), kecepatan rotasi bumi tercepat ada di khatulistiwa dan yang paling lambat adalah di kutub. Hal ini karena bumi lebih lebar di daerah khatulistiwa sehingga sebuah titik di khatulistiwa akan melakukan perjalanan lebih jauh dalam satu hari dibanding dengan sebuah titik di kutub. Massa udara dari daratan kutub akan bergerak lebih cepat ketika mencapai daerah khatulistiwa. Sebagai akibatnya massa udara akan membelok ke arah kanan di belahan bumi utara dan ke kiri di belahan bumi selatan. Perubahan arah massa udara ini lah yang disebut efek Coriolis. Gaya Coriolis ini merupakan konsep penting dalam memahami secara penuh sirkulasi atmosfer dan lautan.
Secara matematis gaya Coriolis ditunjukkan oleh persamaan 2.1 :
Fc=2Ωsin∅v (2.1)
Dengan Ω adalah kecepatan sudut rotasi bumi (7,29 x 10-5) , Φ adalah lintang tempat , dan v merupakan kecepatan angin. Semakin besar lintang maka semakin besar gaya Coriolis, secara matematis membuktikan bahwa di Indonesia tidak terjadi angin siklon
Gaya Coriolis mempengaruhi aliran massa air, dimana gaya ini akan membelokkan arah arus air dari arah yang lurus. Gaya Coriolis juga dapat menyebabkan timbulnya perubahan-perubahan arah arus air terhadap kedalaman suatu perairan.
Pada umumnya tenaga angin yang diberikan pada lapisan permukaan air dapat menyebabkan timbulnya arus permukaan yang memiliki kecepatan sekitar 2% dari kecepatan angin itu sendiri. Kecepatan arus ini akan berkurang dengan cepat seiring makin bertambahnya kedalaman perairan sehingga angin tidak berpengaruh sama sekali terhadap kecepatan arus air pada kedalaman ±200 m. Pada saat kecepatan arus air berkurang, maka tingkat perubahan arah arus yang disebabkan oleh gaya Coriolis tersebut akan meningkat. Dengan demikian semakin dalam suatu perairan dan semakin kecil kecepatan aliran arus air maka semakin besar pembelokan arah arus air yang dihasilkan. (Rian Hermawan, 2013)
2. Rapat Jenis (Density)
Rapat jenis suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi suatu zat tersebut dan dinyatakan dalam massa persatuan volume. Kerapatan secara matematis dapat ditulis dengan :
ρ=mv (2.2)
Rapat jenis dapat dipengaruhi oleh temperatur, semakin tinggi temperatur maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang, hal ini disebabkan oleh gaya kohesi dari molekul molekul fluida semakin berkurang. Untuk fluida berupa air kerapatan maksimum dicapai pada suhu 4o C (Tippler, 1998)
3. Sifat – Sifat Fluida Ideal.
Fluida ideal memiliki beberapa sifat, diantaranya adalah : a. Inkompresibel ( tidak termampatkan)
Inkompresibel artinya volume atau massa jenis fluida tidak berubah ketika ditekan. Zat cair merupakan contoh fluida inkompresibel sedangkan gas atau udara merupakan fluida yang kompresibel (termampatkan).
b. Irrotasional (tidak berotasi atau tidak berputar)
Suatu aliran dikatakan irrotasional jika aliran fluida tidak diikuti perputaran partikel penyusun fluida tersebut. Sebaliknya, jika aliran fluida diikuti dengan perputaran partikel penyusun fluida maka aliran dikatakan aliran rotasional. c. Aliran steady ( aliran tunak)
Aliran steady maksudnya kecepatan fluida pada tiap titik adalah konstan. Aliran steady ini dapat dijumpai pada aliran yang memiliki kedalaman cukup dalam, atau pada aliran yang memiliki kecepatan kecil. Contoh aliran steady adalah aliran laminar. Aliran laminar adalah arus air memiliki arus yang sederhana (streamline/arus tenang) seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1
Ketika fluida bergerak dengan kecepatan yang sangat besar, alirannya tidak lagi tunak (non steady), aliran menjadi kacau (acak). Aliran semacam dinamakan aliran turbulen seperti pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Aliran turbulen ( Deteksiphysics, 2011) d. Aliran non viscous ( viskositas nol)
Aliran fluida tidak mengalami hambatan ketika bergerak. Contoh aliran non viscous adalah aliran air karena viskositasnya rendah. Aliran viscous adalah aliran dengan kekentalan, atau sering disebut aliran fluida pekat. Kepekatan fluida ini tergantung pada gesekan antara beberapa partikel penyusun fluida. (Muhammad Erlangga, 2014)
4. Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas merupakan suatu ungkapan matematis mengenai jumlah netto massa yang mengalir ke dalam sebuah permukaan terbatas sama dengan pertambahan massa di dalam permukaan itu (Sears, 1962).
Jika suatu fluida kecepatan rata-ratanya v mengalir dalam suatu pipa dengan luas penampang A, maka aliran fluida atau laju aliran dapat dituliskan dengan :
Q=Av (2.3)
Dengan Q merupakan laju aliran atau laju pelepasan atau debit yang memiliki satuan SI m3/s. Kecepatan di setiap titik dianggap sama karena telah diasumsikan bahwa aliran tenang (Mohamad Ishaq, 2007)
sebuah pembuluh aliran antara dua penampang melintang tetap yang luasnya A1 dan A2, serta v1 dan v2 adalah kecepatan di penampang- penampang tersebut.
Gambar 2.3 Aliran masuk dan keluar dari bagian pipa arus (Anonim, 2012).
Volume fluida yang mengalir masuk ke dalam pembuluh itu melalui A1 dalam selang waktu dt adalah sama dengan volum yang menempati unsur berbentuk silinder yang alasnya A1 dan tingginya v1dt yaitu A1v1dt. Bila kerapatan fluida itu ρ, maka massa yang mengalir masuk adalah ρA1v1dt. Dengan perhitungan yang serupa, massa yang akan dikeluarkan melalui A2 dalam waktu yang sama adalah ρA2v2dt. Volum di antara v1 dan v2 konstan, dan karena alirannya tenang, massa yang mengalir ke luar sama dengan massa yang masuk. Secara matematis dapat dituliskan :
ρ A1v1=¿ ρ A2v2
A1v1=A2v2 (2.4)
Apabila penampang pembuluh aliran mengecil, maka kecepatan bertambah. Hal ini mudah dibuktikan dengan memasukkan partikel kecil ke dalam fluida lalu mengamati geraknya (Sears, 1962).
5. Persamaan Bernoulli
yang bekerja terhadapnya, dan ini berarti bahwa tekanan sepanjang pembuluh aliran itu berubah, walaupun ketinggiannya tidak berubah. Untuk dua titik ketinggiannya berbeda, perbedaan tekanan tidak hanya bergantung pada perbedaan tinggi permukaan, tetapi juga pada perbedaan antara kecepatan di masing-masing titik tersebut ( Sears, 1962).
Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa apabila kecepatan fluida tinggi maka tekanan rendah dan dimana kecepatan rendah maka tekanan tinggi. Fluida yang bergerak dapat menimbulkan tekanan. Besarnya tekanan akibat gerakan fluida dapat dihitung dengan konsep kekekalan energi pada aliran fluida. Energi yang dimiliki oleh suatu fluida yang mengalir terdiri dari energi dalam dan energi energi akibat tekanan, kecepatan dan kedudukan. Dalam arah aliran, prinsip energi diringkas dengan suatu persamaan umum yaitu :
P+ρgh+12ρ v2=konstan (2.5)
(Tipler, 1998)
6. Sensor
Sensor adalah suatu piranti yang dapat mengubah fenomena fisis menjadi arus atau tegangan listrik, yang diperlukan untuk suatu pengukuran, pengendali atau informasi. Beberapa parameter fisis tersebut seperti temperatur, aliran, tekanan, perpindahan, intensitas cahaya dan medan magnet yang dapat diukur dengan menggunakan sensor tertentu (Mohd Syaryadhi, 2005). Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokkan menjadi 3 bagian yaitu :
a. Sensor thermal (panas)
Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas atau temperatur atau suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu.
b. Sensor mekanis
c. Sensor optik
BAB III mengukur massa per satuan waktu (misalnya, kilogram per detik), selain itu juga mampu menghitung densitas fluida. Coriolis mass flowmeter termasuk flowmeter yang memiliki banyak jenis yang digunakan mengukur aliran fluida baik berupa air atau cairan lainnya seperti korosif, kotor dan lumpur.
B. Bagian bagian Coriolis Massa Flowmeter
Coriolis mass flowmeter terdiri dari sensor, pick off coil, drive coil, measuring tube, transmitter dan tranduser. Bagian bagian pada Coriolis mass flowmeter ditunjukkan oleh Gambar 3.1 :
1. Sensor RTD (Resistant Temperature Detector)
Pada Coriolis mass flowmeter menggunakan sensor RTD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 :
Gambar 3.2 RTD Sensor (Umar Habibie, 2013)
Sensor RTD (Resistant Temperature Detector) terdiri dari gulungan platinum. Sensor tersebut digunakan untuk mengukur temperatur gas. RTD memiliki 2 buah pelat pengukur suhu, dimana pelat pertama sebagai suhu referensi dan pelat lainnya berfungsi untuk mengukur suhu aliran.
2. Pick of coil
Pick of coil adalah kumpulan kumparan dan magnet yang diletakkan di salah satu badan tabung aliran sedangkan magnet dipasang di tabung sisi lain. Pick of coil ini mendeteksi osilasi pada tabung aliran.
3. Drive coil
Drive coil (kumparan penggerak ) dan magnet adalah komponen yang berada di tengah tabung aliran. Komponen inilah yang memberikan vibrasi pada tabung aliran sehingga tabung bisa berosilasi naik dan turun serta bertentangan satu sama lain. 4. Tabung aliran (measuring tube).
5. Transmitter
Transmitter adalah alat yang digunakan untuk mengubah perubahan dari komponen penangkap perubahan sinyal (sensing element) dari sebuah sensor menjadi sinyal yang mampu diterjemahkan oleh alat pengendali (controller). Pada Coriolis mass flowmeter ini transmitter berfungsi sebagai:
a. Mengirim pulsa arus ke sensor kumparan pengendali yang menyebabkan tabung aliran bergetar.
b. Mengolah sinyal sensor input, melakukan perhitungan, dan menghasilkan berbagai output ke perangkat tambahan yang dihubungkan ke hardware
1. Transduser pasif yaitu transduser yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar. Contohnya adalah thermistor. Untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik, maka thermistor harus dialiri arus listrik.
2. Tranduser aktif, yaitu tranduser yang bekerja tanpa tambahan energi dari luar, tetapi menggunakan energi yang akan diubah itu sendiri.
Pada Corioliss mass flowmeter transduser yang digunakan adalah transduser pasif karena untuk beroperasi menggunakan tegangan listrik.
7. Core Processor
C. Prinsip Kerja Corioliss Mass Flowmeter.
Gaya Coriolis adalah gaya yang dihasilkan pada tabung U. Gaya Coriolis ditunjukkan oleh getaran tabung saat fluida mulai mengalir di dalam nya. Getaran tidak menggambarkan gerak melingkar sempurna, tetapi memberikan efek Coriolis yaitu pembelokkan arah. Flowmeter jenis ini tidak mengukur fluida berdasarkan volume per satuan waktu tetapi massa per satuan waktu.
Analogi gaya Coriolis pada flowmeter adalah jika kita punya selang, lalu kita pegang dengan kedua tangan sehingga selang tersebut menggantung membentuk huruf "U”. Lalu kita goyang tangan kita bersamaan ke arah depan lalu ke belakang. Maka selang akan bergoyang seirama dengan tangan kita. Goyangan pada selang yang dialiri fluida dan yang tidak dialiri fluida akan berbeda. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar.3.3 :
Gambar 3.3 Simulasi gaya Coriolis pada selang air a) tidak ada fluida , b) ada fluida ( Umar Habibie, 2013)
Gambar di atas menunjukkan ada perbedaan goyangan selang pada saat dialiri dan tidak dialiri fluida. Gambar (a) adalah selang tanpa berisi air dan Gambar (b) adalah selang yang berisi air. Saat digoyang, selang yang pada Gambar (a) seluruh bagiannya akan bergerak seirama. Namun, saat diisi air, goyangannya sudah berubah menjadi seperti pada Gambar (b). Saat air mulai masuk ke selang, perubahan gerakan sudah mulai terlihat karena ada perbedaan massa di dalam selang.
Selang air dimisalkan dibagi atas dua bagian, yaitu bagian A dan B. Pada saat ada fluida yang mengalir didalam selang air, selang bagian A akan bergerak ke depan sedangkan bagian B akan bergerak ke belakang pada rentang waktu yang sama. Posisi selang bagian A dan B akan bergantian fasa, maksudnya adalah setelah A bergerak ke depan dan B bergerak ke belakang pada saat yang sama, fasa berikutnya adalah A bergerak ke belakang dan B akan bergerak sebaliknya juga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4 :
Gambar 3.4 Simulasi gaya Coriolis pada selang air a) Tidak ada fluida , b) dialiri fluida (Umar Habibie, 2013)
Pada gambar di atas di tunjukkan analogi gaya Coriolis pada selang air tersebut terlihat bahwa terdapat perbedaan fasa antara bagian A dan B pada selang yang diisi air. Perbedaan fasa inilah yang menjadi prinsip pengukuran pada Coriolis mass flowmeter. (Umar Habibie, 2013)
Di dalam Coriolis mass flowmeter, saat ada fluida masuk ke dalam tabung aliran maka fluida akan terbagi secara merata pada kedua tabung aliran yang berbentuk U. Posisi tabung aliran akan berbeda ketika ada massa fluida di dalamnya atau tidak ada fluida. Begitu juga gaya Coriolis yang dihasilkan pada tabung aliran tersebut juga menyebabkan perbedaan osilasi saat ada fluida yang
mengalir dan tidak, perbedaan posisi dan osilasi tabung aliran ditunjukkan pada Gambar 3.5 :
Gambar 3.5 (a) Posisi tabung aliran saat tidak ada fluida, (b) Ayunan tabung aliran saat tidak ada fluida, (c) Ayunan tabung aliran pada saat ada fluida, (d) Ayunan tabung aliran pada saat ada fluida.
Perbedaan posisi dan osilasi yang terjadi pada tabung aliran ini disebabkan oleh adanya gaya Coriolis yang dihasilkan pada tabung aliran. Pada saat fluida mengalir di dalam tabung aliran maka gaya Coriolis menyebabkan perbedaan fasa getaran pada kedua ujung tabung aliran. Perbedaan fasa inilah yang menjadi prinsip pengukuran pada Coriolis mass flowmeter
Drive coil yang terpasang pada badan tabung aliran di bagian tengah membuat tabung berayun secara konstan jika tidak ada fluida yang mengalir di dalamnya, sedangkan pada saat ada fluida di dalamnya maka akan terjadi beda fasa dan inilah yang ditangkap oleh sensor pick off coil yang terpasang di kedua
(b) (a)
ujung tabung aliran sebagai aliran fluida. Drive coil terpasang pada tabung aliran di bagian tengahnya yang membuat tabung bisa berosilasi naik turun serta bertentangan satu sama lain. Sementara pick off coil dipasang pada kedua ujung tabung aliran, seperti yang terlihat pada Gambar 3.6 :
Gambar 3.6 Coriolis mass flowmeter tampak dalam (Anonim, 2013)
Pada Gambar 3.6 huruf A adalah drive coil yang membuat tabung berosilasi secara konstan saat tidak ada fluida yang mengalir. Huruf B dan C adalah sensor pick of coil yang mendeteksi secara tepat osilasi yang terjadi pada tabung aliran. Sensor pick of coil mengirimkan sinyal yang diterima untuk ditampilkan ke display digital sebagai hasil pengukuran.
Gambar 3.7 (a) Representasi beda fasa gelombang (b) Representasi frekuensi yang mempresentasikan densitas fluida (Umar Habibie, 2013)
Tegangan yang dihasilkan dari masing masing kumparan pick off coil menciptakan gelombang sinus yang mewakili gerak suatu tabung relatif terhadap yang lain. Ketika tidak ada aliran, kedua gelombang berada dalam satu fasa. Ketika ada aliran, induksi gaya Coriolis memaksa tabung untuk memutar, mengakibatkan dua gelombang sinus beda fasa. Perbedaan waktu di gelombang sinus berbanding lurus dengan laju aliran massa melalui tabung. Perbedaan frekuensi dan beda fasa pada gelombang sinusoidal akan dibaca oleh sensor dan hasilnya ditampilkan di display (Rudi Wiratama, 2013).
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
A. KESIMPULAN
Coriolis mass flowmeter disebut juga inersia flowmeter, merupakan alat yang mengukur massa dan juga mampu menghitung densitas fluida dengan memperhatikan beda fasa dan frekuensi yang dihasilkan oleh sensor pick off coil. Coriolis mass flowmeter memanfaatkan efek Coriolis yang dihasilkan pada tabung aliran akibat getaran yang dihasilkan oleh drive coil.
Tabung aliran yang dialiri fluida akan berbeda posisi dan osilasinya dengan tabung aliran yang tidak dialiri fluida. Fluida yang akan diukur melewati tabung aliran, dimana fluida tersebut memiliki massa dan volume yang sama. Pada saat fluida mengalir di dalam tabung aliran maka drive coil yang dipasang pada tabung aliran menyebabkan tabung tersebut berosilasi naik turun serta berlawanan satu sama lain, sementara itu sensor pick off coil yang dipasang pada kedua ujung tabung aliran akan menangkap sinyal beda fasa dan frekuensi osilasi yang terjadi saat tabung tersebut dialiri fluida.
Komponen beda fasa dari gelombang sinusoidal yang dihasilkan mendeskripsikan massa jenis fluida sementara komponen frekuensi mendeskripsikan densitas fluida. Gelombang sinusoidal yang dihasilkan dari osilasi tabung aliran ditangkap sebagai sinyal oleh pick off coil, lalu pick off coil mengirim sinyal ke display untuk ditampilkan sebagai hasil pengukuran.
B. SARAN
Coriolis mass flowmeter merupakan salah satu jenis flowmeter yang digunakan untuk mengukur aliran fludia dan massa fluida. Dalam industri masih banyak jenis flowmeter lainnya yang menggunakan prinsip fisika untuk dapat dibahas dan di kaji lebih dalam. Disarankan kepada pembaca untuk dapat membahas prinsip kerja flowmeter lainnya.
Anonim, 2013. Types of gas mass flowmeter. (Online), http://www.alicat.com. (Diakses tanggal 24 Februari 2016)
Anonim, 2013. Coriolis Flowmeter. (Online),
https://rudywinoto.com/2010/11/28/coriolis-flow-meter/. (Diakses tanggal 24 februari 2016)
Anonim, 2013. Pengertian Gaya Coriolis. (Online),
http://arti-definisi-pengertian.info/pengertian-gaya-coriolis/. Diakses tanggal 2 maret 2016
Anonim, 2014. Prinsip Kerja Flowmeter. (Online),
https://flowmeterina.com/category/prinsip-kerja-flow-meter/. Diakses tanggal 4 maret 2016
Anonim,2014. Sifat fluida ideal. (Online),
https://deteksiphysics.wordpress.com/pendahuluan/. Diakses tanggal 3 April 2016)
Erlangga, Muhammad. 2014. Sifat-Sifat Fluida Ideal. (Online).
https://www.academia.edu/8747750/Sifat-Sifat_Fluida. Diakses tanggal 3 April
Habibie, Umar. 2013. Prinsip Kerja Coriolis Massa Flowmeter. (Online). https:// umarhabibie.wordpress.com/2013/04/16/penggunaan-efek-coriolis-sebagai-coriolis-mass-flowmeter/. (Diakses tanggal 23 Maret 2016)
Hermawan, Rian. 2013. Coriolis 1. http://www.meteo.itb.ac.id/?page_id=122 (Diakses pada 23 Maret 2016)
Haliday, D. 1996. "Fisika Universitas II". Jakarta: Erlangga. Ishaq, Mohamad. 2007. Fisika Dasar. Yogyakarta: Graha Ilmu
Sears, F.W. 1962. Mekanika Panas dan Bunyi. Jakarta : Yayasan Dana Buku Franklin.h
Tipler, P. 2008. "Physics for Scientist volume 2". New York: WH Freeman and Company.
