ANALISA PERGESERAN NILAI PENGUKURAN TURBIN GAS
FLOW METER MENGGUNAKAN STANDAR BELL PROVER
Jalu A. Prakosa, Bernardus H. Sirenden, Nur Tjahyo Eka D. Pusat Penelitian Metrologi LIPI
Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, 15314 jalu001@lipi.go.id
INTISARI
Turbin gas meter menggunakan moving part berupa rotor sehingga beresiko tinggi terjadinya perubahan nilai pengukuran seiring banyaknya penggunaan dan waktu. Tidak hanya saran dari expert tetapi juga beberapa publikasi ilmiah menjelaskan tentang kelemahan pergeseran nilai pengukuran pada pengukur jenis turbin. Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa pergeseran nilai pengukuran turbin gas meter menggunakan standar bell prover. Dari hasil kalibrasi dan pengukuran turbin gas meter pada rentang ukur (200 ~ 1400) L/menit didapat bahwa nilai faktor-K turbin sebesar (73,26 ± 0,44) pulsa / L pada tahun 2011 kemudian berubah menjadi sebesar (72,68 ± 0,31) pulsa / L pada tahun 2015. Nilai pengukuran faktor-Kturbin telah bergeser sebesar 0,58 pulsa / L atau 0.8 % selama 4 tahun. Oleh karena itu pengukur jenis turbin perlu dikalibrasi rutin dalam jangka waktu yang lebih pendek untuk memantau pegeseran nilai dinamis pengukurannya agar mewujudkan nilai pengukuran yang presisi.
Kata kunci : Pergeseran nilai, faktor-K, turbin meter, standar aliran gas, bell prover. ABSTRACK
The Turbine gas meters using moving parts such as rotor so that have high-risk changes as the number of measurement values and the use of time. Not only the advice of experts but also some scientific publication describes the drift weakness on the turbine meter. The purpose of this study was to analyze the drift of the gas turbine meter measurement values using a standard bell prover. From the results of the calibration and measurement of the gas turbine meter on measuring range of (200 ~ 1400) L / min was found that the value of faktor-Kturbine was (73,26 ± 0,44) pulses / L in 2011 and then turned into the amount of (72.68 ± 0.31) pulses / L in 2015. The value of the measurement faktor-Kturbine has been shifted by 0.58 pulses / L or 0.8% for 4 years. Therefore, turbines meter need to be calibrated regularly in shorter period of time to monitor to dynamic drift measurement value toward realize the precision results.
Keywords: Drift, K-Factor, turbine meter, gas flow standard, bell prover.
1. PENDAHULUAN
Salah jenis satu alat ukur laju aliran gas yang banyak digunakan adalah turbin gas flow meter. Penggunaan moving parts berupa baling-baling sebagai sensor pengukur besaran laju aliran gas yang melalui turbin flow meter tersebut. Setiap kali baling-baling berputar menghasilkan pulsa elektrik yang menunjukkan volume gas diskrit yang melewatinya. Frekuensi dari pulsa menunjukkan kecepatan laju alir volumetrik dan total pulsa menandakan volume total yang terukur.[1,2]Karena penggunaan moving parts pada
pengukur aliran gas jenis turbin tersebut maka terdapat kemungkinan besar terjadinya pergeseran nilai (drift) akibat gesekan, kondisi aus maupun akibat lainnya oleh pemakaian selama fungsi waktu.
Menurut saran dari para expert National Metrology Institute (NMI) Negara lain seperti KRISS Korea, CMS ITRI Taiwan dan LNE Cetiat Prancis juga dikuatkan dengan beberapa referensi publikasi ilmiah menjelaskan tentang kelemahan dari penggunaan turbin sebagai standar pengukuran. [3,4] Pusat Penelitian Metrologi LIPI memiliki fasilitas bell prover merek autobell model FTBP-10-1-2-A012 dengan nomor seri CS07030027 produksi Flow Technology Incorporated dengan rentang ukur laju aliran gas 15 1400 liter / menit dan tekanan operasi sebesar (98 ~ 110) kPa dengan ketidakpastian sebesar 0,2 %[5]. Standar laju aliran gas Bell prover tersebut dapat digunakan untuk dapat menentukan nilai pengukuran suatu turbin gas flowmeter. Prinsip dasar pengukuran laju aliran gas yang merupakan definisi dari besaran volume per waktu pada bell prover yaitu pengukuran waktu yang diperlukan untuk pengumpulan volume gas dalam bel yang telah diketahui volumenya dengan suhu dan temperatur yang terukur[6]. Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa seberapa besar pergeseran nilai pengukuran turbin gas meter menggunakan standar bell prover selama 4 tahun dari 2011 sampai 2015.
2. DASAR TEORI
2.1 Nilai Konversi K-Faktor Turbin Gas Flowmeter
Turbin gas flowmeter merupakan salah jenis satu alat ukur laju aliran gas, didalamnya terdapat moving parts yang terdiri sebuah baling-baling yang kecepatan perputarannya sebanding dengan besar laju aliran yang melalui flowmeter tersebut. Setiap kali baling-baling berotasi menghasilkan pulsa elektrik pada pickoff yang terpasang pada selubung flowmeter. Setiap pulsa tersebut menunjukkan volume gas diskrit yang melewatinya. Frekuensi dari pulsa menunjukkan kecepatan laju alir volumetrik dan total akumulasi pulsa menunjukkan volume total yang terukur[1]. Berikut ini gambar turbin gas flowmeter yang menunjukkan penggunaan moving parts:
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Turbin gas flow meter (b) Isi bagian dalam turbin gas flow meter Faktor-K adalah jumlah pulsa yang dihasilkan flowmeter untuk setiap satuan volume dari gas yang melewatinya. Nilai Faktor-K diperlukan sebagai sebuah nilai konversi dalam pengukuran besaran laju aliran gas menggunakan alat ukur gas turbin flowmeter ini. Berikut ini perumusan dari Faktor-K[7]:
V N K
Faktor ...1
dimana :
Faktor-K = Konstanta jumlah pulsa tiap satuan volume turbin gas flowmeter, pulsa / liter
N = Jumlah pulsa yang dihasilkan turbin gas flowmeter, pulsa V = Volume gas yang melalui flowmeter, liter
Sehingga laju aliran gas dapat diketahui dari nilai Faktor-K tersebut yaitu dinyatakan sebagai persamaan 2 berikut ini[7]:
K Faktor f K Faktor t N t V Q m m ) 60 .( ) .( ...2 s t N f ...3 dimana:
Q = Laju aliran gas yang melewati turbin flowmeter, liter / menit f = Frekuensi pickoff yaitu jumlah pulsa yang dihasilkan tiap satuan
sekon, pulsa / sekon atau Hz tm = Waktu dalam menit, menit ts = Waktu dalam sekon, sekon 2.2.1 Sistem Kalibrasi Bell prover
Bell prover merupakan salah satu standar primer sistem kalibrasi besaran laju aliran gas. Dalam sebuah survei disebutkan bahwa standar primer yang paling banyak digunakan adalah bell prover yang ditemukan di 23 dari 27 laboratorium NMI yang tersebar di seluruh dunia[8]. Bell prover termasuk jenis sistem kalibrasi positive displacement provers karena sejumlah volume gas dipindahkan ke dalam bel untuk menggerakannya. Prinsip dasar pengukuran laju aliran gas adalah mengukur volume gas per satuan waktu dalam bel yang telah diketahui volumenya dengan suhu dan temperatur yang terukur.
Pada sistem ini terdapat sebuah bel yang terbuat dari stainless steel yang telah diketahui dimensi volumenya. Bel tersebut ditempatkan dalam sebuah tangki yang di dalamnya diselimuti cairan oli. Cairan oli itu berfungsi menghalangi udara keluar dan saat kalibrasi dilakukan udara masuk sepenuhnya ke dalam bel untuk mendorongnya bergerak ke atas. Cairan oli itu juga berfungsi memperhalus gerakan liner bel ke atas dan meminimalkan tekanan yang drop ketika kalibrasi berlangsung. Sebuah rotary encoder terletak di atas bel dan terhubung langsung dalam poros katrol yang berfungsi
menghasilkan pulsa yang sebanding dengan perpindahan liner bel. Alat interface elektronik digunakan untuk menghitung pulsa encoder yang disinkronisasi dengan timer sehingga selama kalibrasi berlangsung dapat diakuisisi secara akurat data pulsa beserta waktunya[5].
Sebuah counterweight digunakan untuk menyeimbangkan berat bel, sedangkan counterweight kecil tergantung di samping katrol berfungsi untuk mengkompensasi efek buoyancy dan efek liner lainnya dialami oleh bel ketika bergerak sepanjang lintasannya. Pada dasar tangki bel terhubung pipa dari sumber udara kering bertekanan. Sensor temperatur dan tekanan terpasang pada pipa lokasi meter under test (MUT) dan bel beserta tangkinya masing-masing. Udara kering bertekanan sebelum masuk ke pipa bell prover melalui katup kendali dapat diatur laju aliran gasnya. Perhitungan laju aliran gas pada bell prover menggunakan konstanta Faktor-K yaitu jumlah pulsa yang dihasilkan rotary encoder tiap satuan volume gas yang masuk ke dalam bel.[9] Sebuah rotary encoder terletak di atas bel tergabung langsung dalam poros katrol yang berfungsi menghasilkan pulsa yang sebanding dengan perpindahan liner bel. Rotary encoder menghasilkan pulsa ketika bel bergerak naik akibat gas yang terkumpul masuk ke dalam bel. Sebuah timer digunakan untuk menghitung frekuensi pulsa yang dihasilkan encoder. Frekuensi tersebut merupakan jumlah pulsa yang dihasilkan oleh encoder tiap detik yang sebanding dengan laju aliran gas yang mengalir.
Gambar 2. Bell prover di Laboratorium Aliran Gas Puslit Metrologi LIPI
3. METODE PENGUKURAN
Tempat pengukuran dilakukan di laboratorium aliran gas sub bidang gaya dan massa, Puslit Metrologi LIPI. Setiap pengulangan pengukuran diberi jeda waktu minimal 30 menit sebelum melakukan pengukuran selanjutnya untuk menjaga kestabilan pada
standar bell prover. Digunakan software calwareTM dari pabrik bell prover yaitu Flow Technology Incorporated sehingga lebih mudah dalam mengambil dan mengolah data pengukuran. Berikut ini Gambar 3, tampilan software CalwareTMyang telah digunakan :
Gambar 3. Software CalwareTM
Berikut ini model matematis yang digunakan dalam mengukur nilai faktor-K turbin meter tersebut :
VB V
Q
f
K
.
60
...4 Keterangan :KV : Nilai faktor-K volume pada meter turbin (pulsa/ L)
f : Nilai frekuensi pada meter turbin (pulsa/ s atau Hz)
QVB : Laju aliran volume gas pada sistem bell prover
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Turbin flow meter yang dikalibrasi memiliki serial number 16013794 dengan rentang ukur dari 200 ~ 1400 L/ menit. Berikut ini Gambar 7 hasil pengukuran nilai faktor-Kturbin meter menggunakan bell prover :
Gambar 4. Grafik perbandingan hasil pengukuran nilai Faktor-K turbin gas antara tahun 2011 dengan 2015
Terlihat pada Gambar 4 nilai faktor-Kturbin meter bergeser menjadi lebih kecil dari tahun 2011 sampai 2015. Nilai faktor-Kturbin didapatkan sebesar (73,26 ± 0,44) pulsa/L pada tahun 2011 sedangkan pada tahun 2015 sebesar (72,68 ± 0,31) pulsa/L. [10] Berikut ini Gambar 5 menjelaskan kontribusi masing-masing komponen sesuai model matematis pada persamaan.
Gambar 5. Kontribusi ketidakpastian pengukuran nilai Faktor-K turbin gas antara tahun 2011 dengan 2015
Terdapat perbedaan mencolok pada gambar diagram batang pada Gambar 5 , yaitu kontribusi pada tahun 2011 didominasi oleh repeatability pengambilan data faktor-Ksebesar 52,9% diikuti kontribusi dari ketertelusuran nilai laju aliran volume gas yang diturunkan oleh standar bell prover sebesar 47,1%. Namun di sisi lain, pada tahun 2015 didominasi oleh ketertelusuran nilai laju aliran volume gas yang diturunkan oleh standar bell prover sebesar 87,9% diikuti kontribusi dari repeatability pengambilan data faktor-K sebesar 12,1%. Perbedaan ini terjadi karena jumlah pengambilan data pada tahun 2015 lebih banyak sehingga memperbanyak derajat kebebasan. Nilai absolut dari angka kesalahan (En) sebesar 1 dengan nilai referensi pada tahun 2011 yang menunjukkan hasil perbandingan nilai pengukuran mengalami pergeseran nilai yang cukup besar. Bahkan nilai rata-rata faktor-Kbergeser sampai 0,58 pulsa/L atau 0,8%. Hal ini menguatkan pendapat para expert dan kajian publikasi ilmiah tentang kelemahan turbin meter berpeluang besar terjadinya pergeseran nilai (drift) akibat gesekan, kondisi aus maupun pemakaian selama fungsi waktu akibat penggunaan moving parts di dalam turbin tersebut. Menurut pendapat dan pengalaman expert dari CMS ITRI Taiwan, nilai faktor-Kpada turbin meter media fluida gas cenderung bergeser mengecil karena cairan pelicin pelumas pada bearing turbin gas meter cenderung lebih cepat berkurang dibandingkan pada media fluida cairan. Fenomena berkurangnya pelumas bearing akan meningkatkan gaya gesekan putar rotor turbin meter sehingga nilai faktor-Kcenderung mengecil. Oleh karena itu pengecekkan dan kalibrasi turbin meter perlu dilakukan rutin dengan jangka waktu yang lebih pendek agar dapat memantau pergeseran nilai faktor-K
turbin tersebut. Perbandingan dua hasil pengukuran tersebut nampak jelas pergeserannya pada Gambar 6 di bawah ini.
Gambar 6. Grafik perbandingan hasil pengukuran nilai tunggal Faktor-K turbin gas antara tahun 2011 dengan 2015
5. KESIMPULAN
Dari hasil pengukuran nilai faktor-Kmenggunakan bell prover didapatkan hasilnya sebesar (73,26 ± 0,44) pulsa / L pada tahun 2011 kemudian berubah menjadi sebesar (72,68 ± 0,31) pulsa / L pada tahun 2015. Telah terjadi pergeseran nilai faktor-Kturbin meter yang cukup besar yaitu 0,58 pulsa/L atau 0,8% selama 4 tahun. Besarnya ketidakpastian pengukuran turbin disebabkabkan dari sumber ketidakpastian pada repeatability pengambilan data faktor-Kpada tahun 2011 yaitu 52,9%, namun pada tahun 2015 didominasi oleh ketertelusuran standar bell prover sebesar 87,9%. Perbedaan kontribusi ketidakpastian pengukuran terjadi karena jumlah pengambilan data pada tahun 2015 lebih banyak sehingga memperbanyak derajat kebebasan.
Untuk meningkatkan jaminan mutu pengukuran laju aliran gas menggunaan turbin meter maka kalibrasi turbin meter perlu dilakukan rutin dengan jangka waktu yang lebih pendek agar dapat memantau pergeseran nilai faktor-K turbin tersebut.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis ucapkan terima kasih kepada manajemen Metrologi LIPI dan Islamic Development Bank (IDB) yang telah menyediakan fasilitas turbin meter dan standar laju aliran gas bell prover sehingga kegiatan penelitian ini dapat berlangsung.
7. DAFTAR PUSTAKA
[1]
44. UK : Butterworth-Heinemann Ltd, 1993
[2] Flow Technology Incorporated. 2006. FT SERIES TURBINE FLOWMETERS Installation, Operation and Maintenance Manual. Arizona: FTI.
[3] Xue Chunling and Sun Yanzuo. 2013. CORRECTION FOR K FACTOR OF GAS TURBINE FLOW METER, FLOMEKO 2003 11th IMEKO TC9 Conference on Flow Measurement. Groningen, The Netherland.
[4] K. Mattiasson, KEY COMPARISONS AND THE ULTIMATE TRANSFER STANDARD, SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut AB.
[5] Flow Technology Incorporated. 2003. Autobell® Bell prover Primary Standard Gas Calibration System. Arizona: FTI.
[6] Wright J.D dan Mattingly G.E. 1998. NIST calibration services for gas flow meters; Piston prover and bell prover gas flow facilities. National Institute of Standards and Technology ( NIST) Special Publication, 250-49.
[7] Flow Technology Incorporated. 2005. Calware Variable Definition (Rev A). Published By FLOW TECHNOLOGY, INC.-OCTOBER 2005.
[8]
GAS FLOW?. Proceedings of FLOMEKO. Groningen Netherlands, 12 14 Mei 2003: National Institute of Standards and Technology.
[9] Flow Technology Incorporated. 2007. Report of Calibration for Autobell Model of FTBP-10-1-2-A012 and Serial No. CS07030027.
[10] International Organisation for Standardisation(ISO). 1993. ISO/TAG 4 : 1993 Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. Paris : BIPM, ISO, IEC, dan OIML.
HASIL DISKUSI
