PERTEMUAN 11
METODE PENGUKURAN ALIRAN
Pengukuran aliran sudah terasa pentingnya sejak'. tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Da-lam gejala aliran fluida perlu ditentukan besarnya, dan/atau arch vektor kecepatan-aliran pada suatu titik dalam fluida, dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik. Agar memperoleh penjelasan tentang medan fluida, kondisi rata-rata pada daerah atau volume yang kecil dapat ditentukan dengan instrumen yang sesuai. Denis alat ukur dasar untuk mengukur aliran digolongkan sebagai berikut
1. Pengukur kuantitas 2. Pengukur laju aliran
3. Metode diferensial tekanam
6.1. PENGUKUR KUANTITAS
Alat-alat ukur ini memberikan petunjuk yang sebanding de ngan 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. Berapa kali bejana pengukur diisi dan dikosongkan ditunjukkan oleh elemen sekunder yang terdiri dari penghitung dengan jarum yang dikalibrasikan dengan tepat. Pengukur kuantitas selanjutnya diklasifikasikan menurut:
(i) Pengukur gravimetri atau pengukur berat (ii) Pengukur volumetri untuk cairan
(iii) Pengukur volumetri untuk gas.
Pengukur Berat (Timbangan)
mencurahkan secara otomatis kalau terisi dengan berat cairan tertentu digunakan untuk mengawasi informasi aliran massa cairan dalam hal kerapatannya tidak tetap.
Pengukur aliran benda padat.;pica timbangan terdiri dari pengangkut-pica yang dirakit menurut skala atau bagian singkat dari pengangkut lebih panjang yang ditunjang skala. Pengukuran ini bekeda sebagai pengukur kuantitas yang menjadi alat dengan laju yang telah diketahui kecepatan dari pica pengangkut bersangkutan.
Roda timbangan serupa dengan pica timbangan, dengan pica yang diganti oleh roda. Keuntungan utama penggunaan roda timbangan adalah, bahwa interval antara titik di mana aliran dikendalikan dan di mana bahan ditimbang dijaga sesingkat mungkin untuk membuat aliran yang lebih sama rata.
Alat pengukur timbangan curah tidak memberikan peng ukuran terusan. Teknik yang bermanfaat untuk jenis operasi ini menggunakan dua pengumpan volume, satu bekerja pada aliran tinggi dan lainnya pada laju aliran yang lebih rendah, persis sebelum berat bahan dalam bejana mencapai jumlah yang telah ditentukan, pengumpan aliran tinggi tertutup dan pengumpan aliran rendah menyelesaikan pengisian bejana. Teknik ini memberikan kecepatan yang tinggi, dengan ketepatan yang tinggi. Umumnya curahan timbangan digunakan untuk aliran benda padat yang diukur dengan pengisian berat bahan yang lebih dulu ditentukan, kemudian mencurahkan dan menghitung berapa kali bejana ukur diisi.
Pengukur Volume untuk Cairan
Suatu alat ukur berupa tangki sederhana diisi dan kalau cair an telah mencapai permukaan atas sifon, cairan mengalir keluar. Berapa kali cairan telah keluar dari sifon ditunjukkan oleh mekanisme-apung, pada saat menggunakan dua tangki. Kalau permukaan dalam salah satu tangki telah mencapai permukaan yang ditentukan, mekanisme-apung menghentikan aliran ke dalam tangki tersebut dan mengalit ke tangki yang lain. Pada saat yang sama, klep di dasar tangki pertama terbuka sedangkan tangki kedua 'mengisi. Proses ini berulang dan berapa kali tangki diisi ditunjukkan oleh mekanisme-apung.
daripada jenis-jenis alat-ukur aliran yang lain. Dasar kedanya adalah bahwa pada saat cairan (minyak atau air) mengalir melalui alat-ukur, alat ini menggerakkan elemen pengukuran yang membagi Skala kamar pengukur (measuring chamber) ke dalam rangkaian kompartemen yang masing-masing berisikan volume tertentu. Pada saat elemen pengukur bergerak, kompartemen-kompartemen ini secara bergantian terisi dan kosong. Jadi, untuk tiap siklus yang lengkap dari elemen pengukur cairan dengan jumlah tetap dibiarkan lewat dari masukan ke tempat keluaran dari pengukur. Di bagian antara elemen pengukur dan kamar pengukur diberikan selapis tipis cairan yang diukur. Jumlah siklus elemen pengukur ditunjukkan oleh pe.nunjuk yang bergerak menurut jam, penjumlah digital atau bentuk pencatatan lainnya. Kesalahan pengukuran disebabkan oleh banyak faktor seperti:
(a) ukuran celah antara elemen pengukur dan kamar peng ukur. Makin keeil toleransi dalam pembuatannya, makin kecil. kesalahannya.
(b) besarnya torsi yang diperlukan untuk menggerakkan alat pencatat meter. ' Makin besar nilai torsi, makin besar pula penu- iunan tekanan melalui elemen pengukur sehingga makin besar jumlah fluida yang akan bocor tidak terukur.
(c) kekentalan cairan yang diukur. Kenaikan kekentalan cairan yang diukur akan memperbesar penurunan tekanan melalui elemen pengukur, tetapi ini dapat lebih dikompensasikan oleh berkurangnya aliran lewat celah, untuk beda tekanan yang dike -tahui. Jadi, kesalahannya berkurang dengan bertambahnya ke kentalan pada laju aliran rendah dan tinggi. Secara keseluruhan, kesalahan pokok dalam pengukur pergeseran positif adalah akibat perbedaan temperatur, kerapatan dan kekentalan cairan pada kondisi ker a dari nilai-nilai yang berlaku pada kondisi kalibrasi. Kompensasi perlu dilakukan untuk pengukuran yang teliti. Bentuk-bentuk umum pengukur pergeseran positif adalah:
(i) Jenis torak bolak-balik
(ii) Jenis torak berputar atau berosilasi' (iii) Jenis piring berputar
(iv) Jenis rotor spiral
Pengukur jenis torak bolak-balik bekerja seperti mesin uap konvensional, tekanan air memberkan daya gerak. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 6.1 misalkan torak berada pada dasar stroke, klep dipasang sedemikian rupa sehingga air masuk bisa melewati bagian bawah torak yang mengakibatkan torak terdorong ke atas dan air di atas torak akan dikeluarkan ke pipa jalan keluar.
Pada ujung stroke bagian puncak silinder menutup jalan keluar dan membuka jalan masukan umpan air.
Pada saat yang bersamaan, dasar silinder terbuka ke arah jalan ke luar, tetapi tertutup dari air yang masuk. Akibatnya tekanan air yang masuk akan menggerakkan torak ke bawah, mengeluarkan air dari bagian bawah torak ke pipa jalan keluar. Pada saat torak mencapai dasar gerakannya klep akan bekeda lagi dan proses berulang lagi. Pada setiap gerakannya jumlah air yang diukur disalurkan ke jalan keluaran. Grendel (ratchet) yang menempel pada batang torak memutar gigi yang memutar penghitung. Jumlah yang disalurkan tiap gerakan (per stroke) dapat diatur dengan mengubah panjang gerakan atau ukuran silinder.
Pengukur jenis torak berputar atau berosilasi secara luas digunakan untuk mengukur jumlah suplai air untuk rumah tangga sampai 50°C, tetapi dengan luasnya rentang bahan tahan-karat yang tersedia sekarang ini, alat ukur ini juga digunakan dalam industri kimia dan minyak. Torak bekerja sebagai kamar bergerak yang memindahkan volume cairan tertentu, dari tempat masukan ke jalan keluaran, dalam setiap siklus gerakannya.
bergerak dengan satu sisi yang menggeserkan naik turun plat pemisah, pada saat bagian atas pemutar poros piring bergerak melingkar mewujudkan mekanisme penghitung. Salah satu ujung dari piring berkontak dengan ujung atas kamar pengukur sedang ujung yang lain dihubungkan dengan ujung bawah kamar pengukur. Karena fluida mengalir titik kontak piring dan kamar bergerak mengelilingi piring.
Pengukur jenis rotor spiral terdiri dari dua rotor yang dito pang oleh bandulan berlengan dan dipasang agar berputar seperti gigi dalam ruang kedap cairan. Kedua rotor dirancang sedemikian rupa sehingga selalu dalam keadaan setimbang statis dan dinamis, dan kedudukan relatifnya dikendalikan oleh dua gigi berbentuk heliks dan bekerja berdasarkan waktu. Putaran impeler sangat sinkron, sehingga hanya sedikit atau malahan tidak ada kontak antarlogam sama sekali, sehingga memperkecil geseran dan menghindari keausan rotor. Bentuk rotor sedemi kian rupa sehingga gerakan berhenti yang sama rata dihasilkan oleh cairan. Bergantian impeler memutar indeks atau penghitungan.
6.2. PENGUKUR LAJU ALIRAN
Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa. A dan kecepatan V, dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni,
Q=AV
Tetapi dalam praktek, kecepatannya tidak merata, lebih besar
Q =KAV
di mana, K adalah faktor konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Harga konstanta sebenarnya akan berubah dengan bentuk dari bagian, lewat mana cairan atau gas mengalir. Namun nilai ini bisa didapatkan melalui eksperimen. Jadi pengukur laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukur-pengukur tersebut dikelompokkan lagi menurut jenis bahan yang diukur, cairan atau gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut:
Pengukur laju aliran untuk cairan.
(i) Jenis baling-baling defleksi
(ii) Jenis baling-baling rotasi
(iii) Jenis baling-baling heliks (bentuk sekrup)
(iv) Jenis turbin
(v) Pengukur kombinasi
(vi) Pengukur aliran magnetis
(vii) Pengukur aliran ultrasonik
(viii) Pengukur aliran kisaran (vorteks) (ix) Pengukur pusaran (swirl).
Pengukur laju aliran gas
(i) Jenis baling-baling defleksi (ii) Jenis baling-baling rotasi (iii) Jenis termal.
6.3. METODE TEKANAN DIFERENSIAL
memungkinkan dihitungnya kecepatan arus. Agar dapat mengerti karakteristik aliran secara terinci, pembaca dalam mempelajari buku-buku tentang mekanika fluida. Namun tinjauan ringkas dari karakteristik aliran diberikan di bawah ini.
Apabila fluida bergerak melewati penghantar yang seragam dengan kecepatan sangat rendah, gerakan partikel masing -masing umumnya sejajar di sepanjang garis dinding penghantar. Kalau laju aliran meningkat, titik dicapai apabila gerakan parti kel 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.
Telah diamati bahwa kecepatan kritis merupakan fungsi beberapa faktor yang dapat dituliskan dalam bentuk tanpa dimensi yang dinamakan angka Reynold , RD seperti berikut:
/
DpV RD
dimana, D=dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter
p = kerapatan fluida
V = kecepatan fluida
= kecepatan absolut fluidaBatas kecepatan-kritis untuk pipa biasanya berada di antara 2000 dan 2300. Penelitian menunjukkan bahwa di bawah Batas kecepatan-kritis, kehilangan geseran dalam pipa hanya merupakan fungsi RD, sedang untuk aliran turbulen, angka Reynold digabungkan dengan kekasaran permukaan menentukan besarnya kehilangan.
nonkompresi, digunakan persamaan Bernoulli.
P 2 1
2 1 2 2
2 2
1 1
2
1 Z Z
g v v p p
1di mana, P = tekanan Y = berat jenis
V = kecepatan linear
Z = ketinggian (elevasi) g = percepatan gravitasi
dan indeks 1, 2 menunjukkan penampang irisan I dan 2.
Persamaan di atas mengasurnsikan bahwa tidak ada kerja mekanis yang dilakukan pada atau oleh fluida dan bahwa tidak ada pangs yang dipindah ke atau dari fluida pada saat melewati titik 1 dan 2. Persamaan ini memberikan dasar untuk
mengeva-(b) Nozel (corong) aliran 2
mengevaluasi Cara-kerja alai-alai pengukuran aliran yang digolongkan sebagai alai ukur hambatan (obstruksi).
Pengukur hambatan untuk fluida nonterkompresi. Inilah pengukur penurunan tekanan dengan peubah daerah konstan. Umumnya pengukur ini berbentuk venturi, corong (nozel)
dan lubang-sempit (orifice) (Gambar 6.12). Dalam tiap kasus pengukur dasar bekerja sebagai hambatan yang diletakkan dalam slur arus fluida, yang menimbulkan perubahan setempat dengan kecepatan yang mengakibatkan perubahan tekanan.
Untuk fluida tak-terkompresi Vi = 72 ='/ dan Q =A I V1 A2 V2,di mana Q adalah jumlah fluida yang mengalir per satuan waktudalam meter kubik per detik. Dengan memasukkan
Oleh karena pengukur A , dan A2 yang diketahui memiliki nilai tertentu dengan mudah dapat dihitung
di mana E diketahui sebagai faktor kecepatan pendekatan.
Dua faktor lain yang digunakan dengan pengukur hambatan adalah koefisien pengosongan (discharge) C, dan koefisien aliran, K yang didefinisikan sebagai berikut:
