1. Pengukuran Flow • Mengukur laju aliran VOLUME/MASSA laju aliran VOLUME/MASSA fluida : – Dalam saluran tertutup (close conduit) – Dalam saluran terbuka (open channel) • Unit: liter/detik, liter/menit, kilogram/jam, , , g j, gallon/menit (GPM), m3/jam, compiled by ar fot PTKAM 1
2. Pengukuran Flow Digunakan • Proses produksi produksi • Control • Efisiensi • D istribusi • Leak analysis li • Trend analysis Pentingnya pengukuran Flow compiled by ar fot PTKAM 2
3. Prinsip Dasar Pengukuran Debit Q=VXA Pipa Harus Penuh Prinsip Dasar Pengukuran Debit • LAMINAR FLOW METER DI DISAIN UNTUK ALIRAN LAMINAR compiled by ar fot PTKAM 3
4. Prinsip Dasar Pengukuran Debit • TURBULEN TURBULEN compiled by ar fot PTKAM 4
5. TURBULEN TURBULEN compiled by ar fot PTKAM 5
6. Di dalam Pipa Jenis-jenis flowmeter • Differential Pressure Pressure • Positve Displacement • Orifice, Nozzle, Venturi • Turbine meter • Ultrasonic • Magnetik • Rotameter • Coriolis compiled by ar fot PTKAM 6
7. Differential Pressure • Pengukuran laju aliran laju aliran dengan memanfaatkan perbedaan tekanan Differential Pressure compiled by ar fot PTKAM 7
8. POSITIVE DISPLACEMENT Orifice 1 2 V1 Front view of orifice plate P P 1 2 Cv tergantung pada 2 ( P1 − P 2 ) Reynold Number V2 = C υ ρ [1 - (A 2 / A 1 ) 2 ] dan D2/D1 compiled by ar fot PTKAM 8
9. Nozzle Cv tergantung pada Reynold Number dan D2/D1, nilainya lebih besar P P dari orifice 1 2 2 ( P1 − P 2 ) Q = V2 A 2 V2 = C υ ρ [1 - (A 2 / A 1 ) 2 ] Venturi P P 2 1 2 ( P1 − P 2 ) V2 = C υ ρ [1 - (A 2 / A 1 ) 2 ] compiled by ar fot PTKAM 9
10. Turbine/Vane Meter • Berdasarkan putaran putaran baling-baling • Untuk dimensi, tekanan dan range tertentu • Banyak digunakan d igunakan untuk pengukuran air Turbine meter compiled by ar fot PTKAM 10
11. Flow meter Magnetik • Bekerja Berdasarkan Berdasarkan Hukum Faraday • E=kBDV Magnetik • Accuracy s/d 0,25 % s/d 0 25 • Untuk fluida-fluida konduktif • Zero pressure drop • Butuh sumber Listrik • Hasil Digital dan analog. • Dapat untuk kontrol compiled by ar fot PTKAM 11
12. Bentuk Lain Flowmeter Magnetik Rotameter • Alat ukur yang ukur yang menggunakan daya angkat aliran yang disebabkan oleh kecepatannya • Biasa juga disebut juga disebut dengan flow area indicator compiled by ar fot PTKAM 12
13. Ultrasonic Flow Meter • Transit time type time type • Doppler type Beberapa Keunggulan • Akurasi s/d 0,5% s/d 0 5% • Tidak perlu shut down system • Untuk berbagai jenis fluida • Membutuhkan informasi tentang material pipa, t il i ketebalaan dan diameternya. • Tidak ada moving part dan non intrusive. compiled by ar fot PTKAM 13
14. Ultrasonic Principle Coriolis • Jika suatu fluida melewati suatu fluida melewati suatu pipa akan menyebabkan pipa/saluran berputar (bergetar), akan menimbulkan gaya yang sebanding dengan masa dan kecepatan aliran p fluida. • Fc = 2m(W x V) compiled by ar fot PTKAM 14
15. Coriolis Memilih dan mempertimbangkan Flow Meter • Tujuan Pengukuran Pengukuran • Kebutuhan akan tingkat akurasi • Jenis dan kondisi fluida • Tekanan dalam pipa • Range pengukuran • Akses sumber listrik • Kondisi lingkungan dimana flow meter akan ditempatkan : gangguan panas, listrik, terendam compiled by ar fot PTKAM 15
16. Memilih dan mempertimbangkan Flow Meter • Data I/O pengembangan ke SCADA I/O ke SCADA sistem • Umur pakai, umur operasi, MTBF • Biaya; investasi, instalasi, operasi & p perawatan. Cara Pemasangan • Jarak upstream (hulu) (5 x Diameter s/d 10 upstream (hulu) (5 Diameter s/d 10 Diameter) dan downstream (hilir)( 2 x Diameter s/d 5 Diameter) makin jauh makin baik. Masing- masing vendor akan menyebutkan persyaratan pemasangan • Pipa terisi penuh • Pengaruh accessories ( d i (reducer, valve, bend) l b d) • Pertimbangan maintenance • Aliran laminar dan turbulen compiled by ar fot PTKAM 16
17. Contoh Pemasangan • Jarak upstream (hulu) upstream (hulu) dan downstream Contoh Pemasangan • Menghindari pipa pipa kosong • Sedapat mungkin memperoleh gelembung udara (bubles) sekecil (bubles) sekecil mungkin compiled by ar fot PTKAM 17
18. Contoh Pemasangan • Jika dipasang dipasang berdampingan dengan air valve Contoh Pemasangan • Pemasangan pada p ada outlet pompa dengan jarak tertentu • Untuk menghindari tekanan minus (vacuum) (vacuum) • Aliran yang laminer compiled by ar fot PTKAM 18

􀂉 Aliran acak (Churn flow).

Aliran acak dibentuk dari pecahnya gelembung uap besar dalam aliran sumbat cairan. Dari sekian banyak atau sedikit kacau balau/semrawut bentuknya aliran gas atau uap melalui cairan terutama pada dinding saluran. Aliran ini berosilasi atau dalam karakter waktu yang berubah-ubah. Aliran ini juga kadang-kadang disebut sebagai aliran semi-cincin (semi-annular) atau aliran cincin-sumbat cairan (slug-annular).

􀂉 Aliran cincin kabut tetes cairan (Wispy-Annular flow).

Aliran dalam pola ini berbentuk lapisan film tipis pada dinding pipa bersama dengan sebagian besar cairan yang ditampung dalam bagian tengah gas atau uap. Cairan dalam film bercampur dengan gelembung gas kecil dan fase cairan yang nampak seperti butir-butir cairan besar dikelompokkan dalam gumpalan panjang yang tidak teratur. Daerah ini muncul pada kecepatan massa yang tinggi dan oleh karena itu lapisan film yang terkumpul akan bercampur pada aliran gelembung berkecepatan tinggi.

􀂉 Aliran cincin (Annular flow).

Dalam aliran cincin lapisan film akan muncul pada dinding pipa sedangkan gas atau uap pada bagian tengah pipa secara kontiniu. Amplitudo gelombang yang besar selalu muncul pada

permukaan film dan bentuk gelombang ini secara kontiniu dari asalnya tanpa henti-hentinya untuk membentuk butir-butir cairan yang muncul dalam jumlah yang berbeda dari bagian tengah gas. Dalam kasus ini, yang berbeda dari pola aliran cincin kabut tetes cairan , butir-butir cairan agak terpisah dari pada berkumpul.

Untuk aliran searah kebawah vertikal, aliran gelembung muncul walaupun kurang stabil dari pada aliran searah keatas. Kondisi aliran cincin berkembang dan dapat muncul pada kecepatan gas sama dengan nol (yaitu dengan adanya film yang menurun pada dinding saluran). Aliran kantung gas dalam sistem aliran searah kebawah hanya cenderung ada pada saluran berdiameter kecil (Hewitt, 1976).

Penurunan Tekanan.

Untuk memprediksi penurunan tekanan terlebih dahulu dihitung gradien tekanan, penyelesaian selanjutnya dengan pendekatan seperti aliran dianggap homogen atau aliran dianggap terpisah . Model aliran homogen dengan asumsi, kecepatan aliran gas dan cairan sama. Sedangkan model aliran terpisah dengan asumsi, kecepatan aliran konstan tetapi tidak selalu sama untuk fase gas dan cairan (Collier, 1980). Variabel-variabel yang mempengaruhinya adalah gradien tekanan akibat gesekan dinding, gravitasi dan percepatan (Hewitt, 1982). Penurunan tekanan dalam aliran dua fase merupakan tekanan dari tiap fase yang ditentukan secara empiris.

Aliran dua fase adalah kasus yang paling sederhana dari aliran banyak fase. Disamping itu juga ada istilah aliran dua komponen. Aliran ini menggambarkan aliran yang fasenya tidak terdiri dari substansi kimia yang sama. Sebagai contoh, aliran uap air (H2O)gas – air (H2O)likuid adalah aliran dua fase, sedangkan aliran udara-air adalah dua komponen. Kadang-kadang aliran cairan-cairan juga disebut aliran dua fase, fase disini menunjukkan mana komponen yang kontiniu dan mana yang tidak kontiniu.

Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi-fase, Studi tentang aliran dua fase dapat kita perhatikan atas beberapa bagian, yaitu : wujud fase (gas-cair, cair-padat, dan padat-gas), arah aliran (searah keatas, searah kebawah, dan berlawanan arah), dan kedudukan saluran (mendatar, tegak atau miring). Aliran dua fase yang berbeda ini banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari maupun proses-proses industri.

Aliran kantung ditandai oleh bentuk gelembung (bubble) gas yang relatif berukuran panjang dan hampir memenuhi penampang saluran aliran. Aliran kantung dapat terjadi apabila kecepatan aliran gas dan cairan terus ditingkatkan sehingga memungkinkan timbulnya gelembung. Apabila kecepatan cairan lebih besar dari kecepatan gas, maka kantung udara yang telah terbentuk akan cepat pecah.

Pada penelitian ini akan dilakukan pengukuran kecepatan kantung udara dengan meng-interkorelasikan sinyal yang terekam terhadap waktu yang diperlukan oleh sebuah kantung udara untuk melintasi jarak sinyal, kemudian dari data pengamatan tersebut akan dibandingkan dengan persamaan Nikline.

Adapun manfaat dari pengukuran kecepatan kantung udara ini adalah akan mengetahui bagaimana fenomena keantung udara (slug flow), apabila kantung udara yang dihasilkan lebih panjang maka semakin banyak cairan yang akan tertekan dalam lapisan disekitar kantung udara sehingga lapisan film yang terbentuk akan semakin tipis. Sebagai contoh apabila hal ini terjadi pada peristiwa evaporasi, lapisan film yang tipis akan menyebabkan melepuhnya pipa.

2. Dasar Teori

Pola Aliran Searah Keatas.

Aliran gas-cair dapat mempunyai berbagai konfigurasi geometrik yang dikenal sebagai pola aliran. Parameter fisik yang penting dalam menentukan pola aliran adalah tegangan permukaan dan gravitasi. Pola aliran dalam pipa vertikal dan horisontal akan berbeda. Pada penelitian ini akan dilihat pola aliran dalam pipa vertikal dengan arah aliran keatas, ini dapat diperhatikan pada gambar.1.

Banyak kriteria pola aliran yang kita perhatikan baik dari literatur dan penelitian-penelitan, tetapi maksud dan tujuannya adalah sama. Deskripsi pola aliran menurut Collier (1980), dengan arah aliran keatas adalah sebagai berikut :

􀂉 Aliran gelembung (Bubble flow).

Dalam aliran gelembung fase gas atau uap disebarkan sebagai gelembung yang mempunyai ciri tersendiri dalam fase cairan secara kontiniu. Pada satu sisi gelembung bisa kecil dan berbentuk bulat dan disisi lain gelembung bisa besar dengan bentuk bulat dan datar. Dalam kondisi ini ukuran gelembung tidak mendekati diameter pipa, tetapi diperkirakan mempunyai ukuran yang sama (uniform).

􀂉 Aliran kantung gas atau sumbat cairan (Plug / Slug flow).

Dalam aliran ini ukuran gelembung gas atau uap kira-kira mendekati diameter pipa. Wujud gelembung berbentuk bulat seperti kepala topi yang memanjang dan gas dalam gelembung dipisahkan dari dinding pipa dengan lapisan film cairan yang turun secara perlahan lahan. Aliran cairan berisi sumbat cairan yang dipisahkan gelembung gas secara terus menerus. Sumbat cairan dapat atau tidak diisi gelembung gas kecil yang diperoleh setelah gelembung besar. Panjang gelembung gas sangat bervariasi.

4.2.4. Kritikal Flumes

Pengukuran aliran untuk saluran terbuka dapat ditentukan dengan akurat mempergunakan bendung. Namun ada beberapa kesulitan dalam prakteknya yaitu :

Þ Bendung dapat dikotori debu atau material endapan

Þ Gangguan karena ujungnya yang tajam

Þ Head lossnya tinggi

Kendala tersebut dapat diatasi dengan mempergunakan pengukur aliran kritikal Parshall Flume yaitu aliran melalui celah yang sempit seperti pada gambar 4.11.

Parshall Flume dibuat dengan pembagian 3 daerah aliran yaitu, bagian hulu yang dasar datar dengan dindingnya menyempit (converging walls), bagian tengah atau bagian tenggorok ( throat ) yang dindingnya sejajar dengan dasarnya menurun (downward) , dan bagian keluaran yang dindingnya membesar (diverging walls) dengan dasar yang menanjak (upward).

Parshall Flume banyak digunakan pada pengukuran aliran irigasi , karena flume tidak perlu dibersihkan, head yang dibutuhkan relatif rendah dan memberikan hasil pengukuran yang cukup akurat pada selang kapasitas aliran yang besar.

4.4. Metode pembagian

Teknik pembagian aliran pada penampang tetap digunakan pada pengukuran aliran refrigeran ataupun instalasi fluida pada industri, dimana tidak praktis untuk memasang peralatan seperti nosel, venturi dan lain-lain alat ukur yang terpasang tetap.

Kecepatan aliran diukur tepat di pusat penampang dengan pitot tube ataupun anemometer. Seperti telah dibahas pada bab I, tabung Pitot dapat dipergunakan untuk mengukur tekanan statik dan tekanan stagnasi dari fluida, dengan mengetahui kapasitas aliran yang diberikan.

Sebaliknya dengan mengetahui perbedaan tekanan statis dan tekanan stagnasi, maka tekanan dinamis dapat ditentukan dan pada akhirnya tekanan dinamis fluida dapat dinyatakan dalam kecepatan fluida. Kapasitas aliran tiap bagian penampang adalah perkalian kecepatan dengan luas penampang. Kapasitas total adalah jumlah kapasitas tiap bagian.

Tabung pitot yang dipasang didalam pipa berupa silinder kecil dapat juga dipergunakan untuk menentukan arah aliran dengan sangat peka. Silinder pitot ini dipakai dipesawat terbang untuk menunjukkan laju naik turun pesawat. Selain itu silinder pitot juga dipasang dalam pipa untuk mendeteksi aliran-aliran spiral.

Pemakaian pitot tube mengharuskan adanya penetrasi ke dalam aliran sehingga hasilnya akan tidak akurat apabila responnya terlalu lambat atau timbulnya pergeseran garis arus (streamline) aliran. Pemakaian thermal anemometer atau anemometer laser Doppler dapat mengatasi hal tersebut. Thermal anemometer menggunakan elemen yang kecil yang dipanaskan dengan arus listrik. Perbedaan laju aliran panas dikalibrasikan untuk menyesuaikan dengan perubahan kecepatan aliran. Karena ukuran elemen yg sangat kecil, yaitu diameternya 0,002 mm dan panjangnya 0,1 mm maka respon dari fluktuasi aliran sangat cepat bahkan sampai mencapai 50 kHz . Maka dari itu sangat tepat untuk aplikasi pada aliran turbulen. Alat ini banyak dipergunakan untuk riset dan sinyal yg dihasilkan diolah dengan prosesor digital ataupun Transformasi Fourier.

Laser Doppler anemometer bekerja berdasarkan efek Doppler dimana frekuensi dari sinar laser akan tergeser akibat perubahan kecepatan aliran. Karena pengukuran kecepatan langsung dapat dihitung, tanpa kalibrasi sinyal juga tidak terpengaruh oleh perubahan suhu, massa jenis ataupun komposisi fluida pada aliran. Kekurangan dari alat ini adalah peralatan optik yang harus dipakai mahal dan mudah pecah.

Hot Wire Anemometer memanfaatkan efek pendinginan konveksi pada sebuah silinder yang sengaja dipanaskan dan dipasang tegak lurus terhadap aliran fluida. Pendinginan merupakan fungsi suhu fluida, suhu kawat dan kecepatan fluida. Kawat dengan diameter antara 0,01 - 0,1 mm dan panjang sekitar 1,5 mm dipasang pada ujung sepasang garpu pada suatu aliran fluida. Dua metode pengukuran yang digunakan adalah :

1. Hambatan kawat dijaga tetap dengan mengatur aliran arus yang melewati dan kecepatan fluida ditentukan dari pengukuran arus menggunakan instrumen yang telah dikalibrasi.

2. Aliran arus melewati kawat dijaga tetap dan perubahan hambatan kawat akibat pendinginan konveksi diukur menurut penurunan tegangan antara ujung-ujungnya. Fluktuasi kecepatan dideteksi dengan rangkaian elektronik yang dirancang untuk keperluan ini.

Anemometer kawat panas ini umumnya dipergunakan untuk mengukur profil kecepatan yang gradien kecepatannya besar juga untuk mengukur intensitas turbulensi aliran gas.

Beberapa alat untuk mengukur kapasitas aliran dengan metode pembatasan adalah

1. Orifice: plat tipis yang diflens antara dua buah flens pipa. Bentuknya sederhana, sehingga harganya murah dan mudah untuk dipasang. Kekurangan orifice adalah kerugian headnya tinggi dan kapasitas pengukuran rendah

2. Nosel : pemakaian nosel sebagai alat ukur kapasitas dapat dipasang pada instalasi pipa, maupun pada plenum seperti pada gambar 4. 2.

3. Venturi : dibuat langsung dengan pengecoran dan dihaluskan untuk memperoleh ketentuan sesuai standar. Harganya mahal karena berat dan kapasitas pengukurannya juga tinggi, serta kerugian headnya rendah. Gambar dan karakteristik masing-masing alat tersebut ditampilkan pada gambar 4.3.

4. Elemen Aliran Laminer ( LFE )

Alat ini mempunyai bagian pengukuran yang dibagi dalam beberapa laluan yang diameternya cukup kecil untuk menjamin alirannya laminer berkembang penuh (fully developed).

4.1.3. Metode linier

Alat ukur aliran yang hasilnya langsung proporsional dengan laju aliran antara lain : Float meter, turbin flowmeter, Vortex flow meter, electromagnetik flow meter, magnetik flow meter, ultrasonic flowmeter.

Float meter memiliki bagian yang terapung dengan bentuk bola atau kerucut. Bagian ini akan begerak ke atas atau ke bawah akibat gaya dari aliran fluida, sampai tercapai keseimbangan antara gaya seret dan gaya apung. Float meter atau rotameter dapat dilihat pada gambar 4. 4.

Turbin flowmeter mempunyai sudu gerak yang dapat bergerak dengan bebas sehingga laju rotasinya sebanding dengan laju aliran volume aliran. Kecepatan rotasinya diindera oleh sensor magnetik ataupun sensor frekuensi modulasi yang dipasang diluar medan aliran. Alat ini dapat digunakan untuk mengukur aliran fluida yang korosif dan yang beracun. Turbin flowmeter dapat dilihat pada gambar 4.5.

PENGUKURAN ALIRAN

Pengukuran aliran adalah pengukuran kapasitas aliran atau laju aliran massa atau laju aliran volume aliran. Pada bab ini akan dibahas alat-alat dan perhitungan pengukuran aliran. Ditinjau dari jenis saluran aliran fluida, yaitu aliran saluran tertutup dan aliran saluran terbuka, maka alat pengukuran aliran secara umum juga akan diklasifikasikan menjadi dua bagian, yaitu pengukuran aliran terbuka dan pengukuran aliran tertutup.

Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada ketelitian, kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut. Adapun persamaan dasar yang dipergunakan dalam menganalisa pengukuran aliran adalah persamaan kontinuitas, persamaan Bernoulli dan perhitungan head loss aliran.

4.1. PENGUKURAN ALIRAN INTERNAL

Pengukuran aliran internal dapat dilakukan dengan 4 metode yaitu :

1. metode langsung

2. metode pembatasan

nosel, venturi, orifice, elemen aliran laminer,

3. metode linier;

float meter, rotameter, turbin flowmeter, vortex flow meter, electromagnetik flow meter, magnetik flow meter, ultrasonic

4. metode pembagian ( pitot tube, anemometer).

4.1.1. Metode Langsung

Metode langsung pengukuran aliran dapat dilakukan dengan mengukur volume atau massa fluida dalam selang waktu tertentu. Pada selang waktu yang lama dan diukur secara tepat, serta pengukuran volume atau massa diukur secara tepat, maka pengukuran ini tidak memerlukan kalibrasi. Pengukuran laju aliran volume atau massa dengan metode langsung ini cukup teliti. Akan tetapi apabila fluida yang diukur adalah gas, maka efek kompresibilitasnya harus diperhitungkan.

Persamaannya adalah :

m = r V A = r (D"/Dt) (4.1)

dimana :

m : laju massa aliran

(D"/Dt): perubahan volume/perubahan waktu

4.1.2. Metode pembatasan

Metode pembatasan ini mengukur perbedaan tekanan diantara dua penampang aliran yang sebanding dengan laju aliran. Perhitungan laju aliran teoritis dapat dilakukan berdasarkan hukum kontinuitas dan persamaan Bernoulli. Kapasitas aliran sebenarnya dapat ditentukan dengan memperhitungkan faktor koreksi dari masing-masing alat ukur yang ditentukan secara empiris.

Alat ukur metode tak langsung dengan pembatasan ini dianalisa pada penampang 1 yaitu sebelum masuk alat ukur, dan penampang 2 yaitu tepat di daerah alat ukur yang biasanya menimbulkan vena contrakta. Vena kontrakta adalah daerah setelah pengecilan penampang aliran. Pada daerah ini kapasitas aliran minimum dan tekanan aliran pada penampang tersebut seragam. Secara umum kondisi garis arus (stream line) aliran dapat digambarkan seperti gambar 4.1.

Persamaan kontinuitas dari penampang 1 ke penampang 2 adalah

m₁ = m₂ r₁ V₁ A₁ = r₂ V₂ A₂

untuk aliran tak mampu mampat maka r adalah tetap sehingga :

V₁ A₁ = V₂ A₂