PENGUKURAN ALIRAN FLUIDA

Pengukuran Aliran Fluida

Aliran

Aliran  dapat diklasifikasikan (digolongkan) dalam banyak jenis seperti: turbulen, laminar, nyata, ideal, mampu balik, tak mampu balik, seragam, tak seragam, rotasional, tak rotasional.
Aliran fluida melalui instalasi (pipa) terdapat dua jenis aliran yaitu :

1. Aliran laminer
2. Aliran turbulensi

Cairan dengan rapat massa yang akan lebih mudah mengalir dalam keadaan  laminer. Dalam aliran fluida perlu ditentukan besarannya, atau arah vektor kecepatan aliran pada suatu titik ke titik yang lain. Agar memperoleh penjelasan tentang medan fluida, kondisi rata-rata pada daerah atau volume yang kecil dapat ditentukan dengan instrument yang sesuai. 

Pengukuran Aliran

Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran, massa laju aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran  tergantung pada ketelitian, kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut.

Dalam  pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gradien kecepatan, turbulensi dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan pengukuran-pengukuran, misalnya : langsung, tak langsung, gravimetrik, volumetrik, elektronik, elektromagnetik dan optik. Pengukuran  debit secara langsung terdiri dari atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui suatu penampang dalam suatu  selang waktu tertentu. Metoda tak langsung bagi pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi tekanan, perbedaan tekanan atau kecepatan dibeberapa dititik pada suatu penampang dan dengan besaran perhitungan debit. Metode pengukuran aliran yang paling teliti adalah penentuan gravimerik atau penentuan volumetrik dengan berat atau volume diukur atau penentuan dengan mempergunakan tangki yang dikalibrasikan untuk selang waktu yang diukur.

Pada prinsipnya besar aliran fluida dapat diukur  melalui :

1. Kecepatan (velocity) 
2. Berat (massanya) 
3. Luas bidang yang dilaluinya 
4. Volumenya  

Pengenalan Alat Ukur Laju Aliran Fluida

Dalam pabrik-pabrik pengolahan diperlengkapi dengan berbagai macam alat pengoperasian setiap peralatan saling mendukung antar satu peralatan dengan peralatan yang lainnya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan maka diperlukan peralatan pendukung. Salah satu pendukung yang penting dalam suatu pabrik adalah peralatan instrument pabrik. Peralatan instrument merupakan bagian dari kelengkapan keterpasangan peralatan yang dapat digunakan untuk mengetahui dan memperoleh sesuatu yang dikehendaki dari suatu kegiatan kerja peralatan mekanik. Salah satu peralatan instrument yang penting adalah alat ukur. Penggunaan alat ukur dalam pabrik sangat banyak digunakan, ini bertujuan untuk menjaga hasil yang dibutuhkan, sehingga perlu adanya  pemeliharan dari alat-alat ukur tersebut.

Alat-alat ukur instrument yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran suatu fluida disebut dengan alat ukur fluida. Alat ukur aliran fluida dari dua bagian pokok yaitu :

1. Alat Ukur Primer: Yang dimaksud alat ukur primer adalah bagian alat ukur yang berfungsi sebagai alat perasa (sensor). 
2. Alat Ukur Sekunder: Sedangkan alat ukur sekunder adalah bagian yang mengubah dan menunjukkan besaran aliran yang dirasakan alat perasa supaya dapat dibaca.

Alat ukur yang sering dijumpai  dalam pabrik dibagi menurut fungsinya yaitu:
a. Alat Pengukur Aliran: Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari fluida yang mengalir.
b. Alat Pengukuran Tekanan : Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukan besaran tekanan dari suatu fluida.
c. Alat Pengukur Tinggi Permukaan Cairan: Alat yang digunakan untuk mengukur ketinggian dari permukaan suatu cairan
d. Alat Pengukur Temperatur: Alat yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran temperatur.

Tujuan dari pada pengukuran aliran fluida adalah untuk mencegah kerusakan peralatan, untuk mendapatkan mutu produksi yang diinginkan dan mengontrol jalannya proses.      

Jenis  Alat Ukur Aliran Fluida

Jenis alat ukur aliran fluida yang paling banyak digunakan diantaranya alat ukur lainnya adalah alat ukur fluida jenis laju aliran. Hal ini dikarenakan oleh konstruksinya yang sederhana dan pemasangannya yang mudah. Alat ukur aliran fluida jenis ini dibagi empat jenis yaitu :

1. Venturi meter
2. Nozzle 
3. Pitot tubes 
4. Flat orifice

Pada dasarnya prinsip kerja dari keempat alat ukur ini adalah sama yaitu bila aliran fluida yang mengalir melalui alat ukur ini mengalir maka akan terjadi perbedaan tekanan sebelum sesudah alat ini. Beda tekanan menjadi besar bila laju aliran yang diberikan kepada alat ini bertambah. 

1. Venturi Meter 

Venturi Meter ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan. Sedangkan  alat untuk menunjukan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah manometer pipa U. Venturi Meter memiliki kerugian  karena harganya mahal, memerlukan ruangan yang besar dan rasio diameter throatnya dengan  diameter pipa tidak dapat diubah.

Untuk sebuah venturi meter tertentu dan sistem manometer tertentu, kecepatan aliran yang dapat diukur adalah tetap sehingga jika kecepatan aliran berubah maka diameter throatnya dapat diperbesar untuk memberikan pembacaan yang akurat atau diperkecil untuk mengakomodasi kecepatan aliran  maksimum yang baru.

Untuk Venturi Meter  ini dapat dibagi 4 bagian utama yaitu :
a. Bagian  Inlet : Bagian yang berbentuk lurus dengan diameter yang sama seperti diameter pipa atau cerobong aliran. Lubang tekanan awal ditempatkan pada bagian ini.
b. Inlet Cone : Bagian yang berbentuk seperti kerucut, yang berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida.
c. Throat (leher): Bagian tempat pengambilan beda tekanan akhir  bagian ini berbentuk bulat datar. Hal ini dimaksudkan agar tidak mengurangi atau menambah kecepatan dari aliran yang keluar dari inlet cone.

Pada Venturi meter ini fluida masuk melalui bagian inlet dan diteruskan ke bagian outlet cone. Pada bagian inlet ini ditempatkan titik pengambilan tekanan awal. Pada bagian inlet cone fluida akan mengalami penurunan tekanan yang disebabkan oleh bagian inlet cone yang berbentuk kerucut atau semakin mengecil kebagian throat. Kemudian fluida masuk kebagian throat  inilah tempat-tempat pengambilan tekanan akhir dimana throat ini berbentuk bulat datar. Lalu fluida akan melewati bagian akhir dari venturi meter yaitu outlet cone.  Outlet cone ini berbentuk kerucut dimana bagian kecil berada pada throat, dan pada Outlet cone ini  tekanan kembali normal.

Jika aliran melalui venturi meter itu benar-benar tanpa gesekan, maka tekanan fluida yang meninggalkan meter tentulah sama persis dengan fluida yang memasuki meteran dan keberadaan meteran dalam jalur tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan tekanan yang bersifat permanen dalam tekanan.

Penurunan tekanan pada inlet cone akan dipulihkan dengan sempurna pada outlet cone. Gesekan tidak dapat ditiadakan dan juga kehilangan tekanan yang permanen dalam sebuah meteran yang dirancangan dengan tepat 

2. Flow Nozzle 

Flow Nozzle sama halnya dengan plat orifice yaitu terpasang diantara dua flensa. Flow Nozzle biasa digunakan untuk aliran fluida yang kecil. Karena flow nozzle mempunyai lubang lebih besar dan kehilangan tekanan lebih kecil daripada plat orifice sehinga flow nozzle dipakai untuk fluida kecepatan tinggi pada temperatur tinggi dan untuk penyediaan air ketel. Flow nozzle ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanannya. Sedangkan alat untuk menunjukkan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah berupa manometer. Pada flow nozzle kecepatan bertambah dan tekanan semakin berkurang seperti dalam venturi meter. Dan aliran fluida akan keluar secara bebas setelah melewati lubang flow nozzle sama seperti pada plat orifice. Flow nozzle terdiri dari dua bagian utama  yang melengkung pada silinder. 
  
3. Pitot Tubes

Nama pitot tubes datang dari konsensip Henry de Pitot pada tahun 1732. Pitot tubes mengukur besaran aliran fluida dengan jalan menghasilkan beda tekanan yang diberikan oleh kecepatan fluida itu sendiri dapat dilihat pada Gambar 1. Sama halnya seperti plate orifice, pitot tubes membutuhkan dua lubang pengukuran tekanan untuk menghasilkan suatu beda tekanan. Pada pitot tubes ini biasanya fluida yang digunakan adalah jenis cairan dan gas. Pitot tubes terbuat dari stainless steel dan kuningan.

Gambar 2.1.  Flow  Rate 

3. Flat Orifice

Agar dapat melakukan pengendalian atau proses-proses industri, kuantitas bahan yang masuk dan keluar dari proses perlu diketahui. Kebanyakan bahan ditransportasikan diusahakan dalam bentuk fluida, maka penting sekali mengukur kecepatan aliran fluida dalam pipa. Berbagai jenis meteran digunakan untuk mengukur laju arus seperti Flat orifice.

Untuk plat orifice ini, fluida yang digunakan adalah jenis cair dan gas. Pada Flat orifice ini piringan harus bentuk plat dan tegak lurus pada sumbu pipa. Piringan tersebut harus bersih dan diletakkan pada perpipaan yang lurus untuk memastikan pola aliran yang normal dan tidak terganggu oleh fitting, kran atau peralatan lainnya.

Prinsip dasar pengukuran Flat orifice dari suatu penyempitan yang menyebabkan timbulnya suatu perbedaan tekanan pada fluida yang mengalir.

Flat orifice dapat dibagi atas 3 jenis, yaitu :

1. Jenis Concentric Orifice
2. Jenis Eccentric Orifice 
3. Jenis Segmental Orifice

1. Jenis Concentric Orifice

Pada jenis Concentric Orifice dipergunakan untuk semua jenis fluida yang tidak mengandung partikel-partikel padat. Concentric dibuat dengan mengebor port secara sentrik dalam bagian tengah. Tipe orifice ini lebih popular karena konstruksinya yang lebih sederhana dan mudah dibuat. Jenis ini dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Flat Jenis  Concentric Orifice
 

2. Jenis Eccentric Orifice 

Eccentric Orifice memiliki potongan lubang pembatas secara eccentric sehingga mencapai bagian dasar pipa. Pada jenis eccentric orifice ini dipergunakan untuk fluida yang mengandung partikel-partikel padat. Tipe orifice ini sangat bermanfaat untuk pengukuran cairan yang telah memiliki padatan. Bila padatan tidak berkumpul pada orifice, maka sisi orifice tidak akan mengalami kerusakan atau error dalam pengukurannya dapat dikurangi. Jenis Eccentric Orifice dapat dilihat pada Gambar 3. 

Gambar 3.  Flat Orifice Jenis Eccentric Orifice

3. Jenis Segmental Orifice

Pada jenis segmental orifice ini dipergunakan untuk mengukur laju aliran yang mengandung padatan, sama seperti jenis eccentric orifice hanya saja kalau jenis eccentric berbentuk lingkaran yang berada di bawah atau dekat dasar pipa, sedangkan kalau jenis segmental ini berlubang setengah lingkaran. Plat Orifice jenis Segmental dapat dilihat pada Gambar 4.  

Gambar 4. Flat Orifice Jenis Segmental

Lokasi Peletakan Lubang ( Tap ) Beda Tekanan

Dalam pengambilan beda tekanan, lokasi lubang-lubang pengambilan beda tekanan  dalam pengukuran besaran aliran fluida sangat penting baik dalam lubang sebelum alat ukur maupun sesudah alat ukur. Untuk pengukuran cairan, penumpukan sisa-sisa dari gas atau uap pada sambungan-sambungan antara pipa dan alat pengukur harus dihindari. Hal ini bertujuan agar pengukuran tidak meleset dan stabil. Maka lubang pengambilan beda tekanan pada umumnya ditempatkan pada bidang horizontal dari garis tengah pipa. Sama halnya untuk pengukuran gas, penumpukan sisa-sisa dari cairan atau uap harus dihindari, untuk itu lubang-lubang pengambilan beda tekanan biasanya ditempatkan pada bagian atas pipa. Tekanan awal dan akhir dari plat orifice akan sangat berbeda oleh jarak dari plat orifice. Oleh karena itu standart dari penentuan jarak ini tergantung dari pipa yang digunakan. Terlepas dari apakah orifice dipergunakan untuk pengukuran cairan, gas atau uap maka lokasi pengambilan beda tekanan untuk pengukuran dibagi dalam empat bentuk yaitu :

1. Flange Taps
2. Vena Contracta Taps 
3. Pipe Taps 
4. Corner Taps

1. Flange Taps

Pada flange taps dapat diketahui bahwa jarak masing-masing lubang pengambilan beda tekanan terhadap plat orifice adalah satu inchi taps. Pada flange taps ini lubang-lubang pengambilan beda tekanannya terhadap flange taps itu sendiri. Flange taps pada umumnya dipergunakan untuk pipa-pipa yang berdiameter dua inchi ke atas. Di bawah dari ukuran dua inchi, flange taps tidak dapat dipergunakan karena membuat pengukuran meleset dan tidak stabil. Untuk flange taps yang tapsnya terletak di flensanya dapat berubah jika flensanya terlalu tebal dimana ditempatkan jauh dari plat orifice. Jenis Flange taps dapat dilihat pada Gambar 5. Bagian sisi dari plat orifice ini dipertahankan diantara flensa dan dibuat setipis mungkin dan jarak tertentu dari orifice. Ketebalan plat orifice untuk flange taps dapat dilihat dalam tabel berikut ini :

Tabel 1.  Ketebalan Maksimuim Flat Orifice untuk Flange Taps

 

Gambar 5. Flange Taps
 

2. Vena Contracta Taps

Pada vena contracta taps, jarak lubang-lubang pengambilan beda tekanan ditempatkan berbeda dari sisi awal plat orifice dan akhir plat orifice. Pada lubang-lubang up-stream orifice atau lubang awal jarak penempatan dari lubangnya terhadap plat orifice itu sendiri adalah sama dengan besar diameter dari pipa aliran yang digunakan. Sedangkan untuk lubang down stream orifice atau lubang sesudah plat orifice ditempatkan pada titik dimana tekanan tekanan terendah dari aliran ditemukan. Penggunaan vena contracta taps pada umumnya untuk pipa ukuran enam inchi yang dapat dilihat pada Gambar 6. Untuk pipa yang berdimater lebih dari enam inchi, umumnya dipergunakan tipe radius taps. Radius Taps adalah jenis dari vena contracta taps. Perbedaan kedua jenis plat orifice ini terletak pada penempatan lubang-lubang down stream atau lubang sesudah plat orifice ini. sedangkan untuk lubang upstreamnya adalah sama. Untuk radius taps, lubang dowm-stream ditempatkan pada jarak 1,5 dari diameter pipa aliran yang diukur dari sisi down-stream.
 

Gambar 6. Vena Contracta taps 

3. Pipe Taps
 
Pada tipe pipe taps ini, lubang-lubang pengambilan beda tekanan berbeda antara lubang up-stream orifice dengan lubang down stream. Beda lubang up-stream ditempatkan pada jarak 2,5 kali dari besar diameter pipa aliran yang digunakan yang diukur dari sisi up-stream orifice. Sedangkan pada lubang down-stream orifice ditempatkan pada jarak delapan kali dari diameter pipa aliran yang digunakan diukur dari sisi down-stream orifice, dapat dilihat pada Gambar 7. Pipa tapsnya dipergunakan bilamana vena contracta tidak dapat dipergunakan pada pipa aliran yang dipergunakan.

Gambar 7.  Pipe Taps
 

4. Corner Taps

Corner Taps atau taps sudut hampir sama dengan flange taps, dimana titik pengambilan beda tekanannya pada corner taps adalah pada sudut-sudut antara plate orifice dengan dinding pipa liran, dapat dilihat pada Gambar 8. Corner taps hanya dipergunakan untuk pipa di bawah ukuran dua inchi.