Buku 6 Alat Ukur

BUKU II

ALAT UKUR

TUJUAN PELAJARAN

: Setelah mengikuti pelajaran ini peserta mampu memahami jenis dan prinsip sistem pengukuran pada pengoperasian sistem pembakaran bahan bakar ( G & M ).

DURASI

: 4 JP

PENYUSUN

: 1. GAMA AJIYANTONO 2. MURDANI

Simple Inspiring Performing Phenomenal

i

DAFTAR ISI

TUJUAN PELAJARAN ....................................................................................................... i DAFTAR ISI ...................................................................................................................... ii DAFTAR GAMBAR ...........................................................................................................iii DAFTAR TABEL............................................................................................................... iv 1.

ALAT UKUR TEKANAN ......................................................................................... 5

1.1. Pengukuran Tekanan Dengan metode Zat Cair ..................................................... 8 2.

Alat Ukur Temperatur (Suhu) ............................................................................... 12

2.1. Perubahan Dimensi Fisik ..................................................................................... 13 2.2. Perubahan Hambatan Listrik ................................................................................ 16 2.3. Pembangkitan Tegangan ..................................................................................... 19 3.

ALAT UKUR PERMUKAAN (LEVEL) ................................................................... 21

3.1 Pengukuran tinggi permukaan tabung dengan manometer tabung U ( Tangki Tertutup ) ............................................................................................................. 21 3.2 Prinsip kerja dengan gelas penunjuk.................................................................... 22 3.3 Prinsip kerja sistem pelampung ......................................................................... 23 3.4 Alat ukur hidrolik ................................................................................................ 24 3.5 Detektor tinggi hidrostatis ................................................................................... 25 3.6 Pengukuran tinggi permukaan dengan sistem gelembung udara (Tangki Terbuka) .............................................................................................................. 26 3.7 Pengukuran dengan metoda ultrasonik ................................................................ 27 4.

ALAT UKUR ALIRAN (FLOW). ............................................................................ 28

4.1. Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan ................................................. 28 4.2. Turbine flow sensors ............................................................................................ 35 4.3. Flowmeter Jenis khusus....................................................................................... 36

Simple Inspiring Performing Phenomenal

ii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Konsep Tekanan Terukur (Gauge), Absolut, Dan Vakum ............................. 6 Gambar 2 Tekanan Terukur .......................................................................................... 6 Gambar 3 Barometer .................................................................................................... 7 Gambar 4 Tekanan Vakum ........................................................................................... 7 Gambar 5 Tekanan Absolut .......................................................................................... 8 Gambar 6 Manometer U ............................................................................................... 9 Gambar 7 Tekanan Absolut ........................................................................................ 10 Gambar 8 Tabung berbentuk C.................................................................................. 10 Gambar 9 Spiral .......................................................................................................... 11 Gambar 10 Helix ......................................................................................................... 11 Gambar 11 Bellow ...................................................................................................... 12 Gambar 12 Termometer ............................................................................................. 13 Gambar 13 Prinsip kerja termometer bimetal .............................................................. 14 Gambar 14 Spiral-strip bimetal termometer................................................................. 14 Gambar 15 Termometer Gelas ................................................................................... 15 Gambar 16 Rangkaian Pengukur Temperatur Dengan Tahanan ................................ 17 Gambar 17 Instalasi RTD........................................................................................... 17 Gambar 18 RTD ......................................................................................................... 18 Gambar 19 Prinsip Termokopel .................................................................................. 19 Gambar 20 Prinsip Termokopel .................................................................................. 19 Gambar 21 Bagian-bagian Termokopel ...................................................................... 20 Gambar 22 Standard Termokopel ............................................................................... 21 Gambar 23 Pengukur Tinggi Permukaan Dengan Manometer Tabung U ................... 22 Gambar 24 Prinsip Kerja Gelas Penunjuk ................................................................... 22 Gambar 25 Tipe-tipe Sight Glass ................................................................................ 23 Gambar 26 Prinsip Kerja Sistem Pelampung .............................................................. 23 Gambar 27 Pengukuran Tinggi Permukaan Dengan Pelampung ................................ 24 Gambar 28 Prinsip Kerja Head - Hidrostatik................................................................ 25 Gambar 29 Head – Hidrostatik Level Gauge ............................................................... 26 Gambar 30 Pengukur Tinggi Permukaan Dengan Sistem Gelembung Udara ............. 27 Gambar 31 Pengukuran Level Dengan Metode Ultrasonik.......................................... 27 Gambar 32 Hukum Kontiunitas ................................................................................... 29 Gambar 33 Orifice Plate ............................................................................................. 30 Gambar 34 Pipa Venturi ............................................................................................. 32 Gambar 35 Flow Nozzle ............................................................................................. 32 Gambar 36 Pipa Pitot.................................................................................................. 34 Gambar 37 Skema Pipa Pitot ...................................................................................... 34 Gambar 38 Rotameter ................................................................................................ 35 Gambar 39 Turbine Flow Sensor ................................................................................ 35 Gambar 40 Flowmeter Cara Radiasi Nuklir ................................................................. 36 Gambar 41 Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan Efek Hall.................................. 37 Gambar 42 Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic ......................................... 37

Simple Inspiring Performing Phenomenal

iii

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Material yang digunakan untuk RTD .............................................................. 16

Simple Inspiring Performing Phenomenal

iv

ALAT UKUR

Alat ukur berfungsi untuk mengetahui harga dari suatu proses / kondisi. Pada prinsipnya sistem pengukuran terdiri dari 3 elemen, yaitu: elemen sensor, transmiter, dan pointer (Indicator-Display). Ketiga elemen tersebut memiliki fungsi sebagai berikut : -

Elemen sensor berfungsi sebagai alat yang mendeteksi adanya perubahan lingkungan (baik secara fisik atau kimia) kemudian selanjutnya memberikan sinyal pengukuran menuju transmitter

-

Unit transmitter berfungsi untuk menerjemahkan sinyal pengukuran dari elemen sensor menjadi sinyal yang dapat dimengerti oleh indicator.

-

Pointer berfungsi untuk menerjemahkan sinyal yang dikirim oleh transmitter menjadi nilai/ukuran yang mudah dibaca dan dipahami oleh pengguna (user). Di dalam suatu proses pembangkit listrik, banyak sekali parameter yang harus

dipantau dan dikendalikan, namun pada umumnya terdiri dari :

1.



Tekanan (Pressure).



Suhu (Temperatur).



Tinggi permukaan (Level).



Laju aliran (Flow)

ALAT UKUR TEKANAN Tekanan adalah Gaya yang berkerja pada suatu bidang per satuan luas bidang tersebut atau biasa ditulis :

P

F A

Tekanan udara bebas disekeliling kita ini disebut, tekanan atmosfir, besar tekanan atmosfir adalah 1,013 bar atau 14, 7 psig dan alat pengukurnya dinamakan Barometer. Titik nol Barometer

diukur dari ruangan tanpa

udara

(hampa mutlak / nol absolut). Sedang alat alat ukur yang dipakai untuk mengukur tekanan selain tekanan udara bebas disebut Manometer.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

5

Tekanan dapat dibedakan menjadi 3 macam, yaitu : 

Tekanan Terukur



Tekanan Absolut



Tekanan Vakum

Gambar 1 Konsep Tekanan Terukur (Gauge), Absolut, Dan Vakum



Tekanan Terukur (Gauge) Adalah tekanan yang nilainya diatas tekanan atmosfir, contoh tekanan pada tangki kompresor yang diperlihatkan pada gambar berikut.

Gambar 2 Tekanan Terukur

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

6



Tekanan Atmosfer Barometer dipakai untuk mengukur tekanan atmosfir, terdiri dari satu tabung gelas yang tegak lurus dalam bejana air raksa. Bagian ujung tabung tertutup dan vakum, sebagaimana terlihat pada gambar di bawah. Apabila tekanan atmosfir rendah maka air raksa di dalam tabungpun turun yang akan menunjukkan sesuai dengan tekanan atmosfir di sekitar tempat tersebut.

Gambar 3 Barometer



Tekanan Vakum Tekanan vakum adalah tekanan yang nilainya di bawah tekanan atmosfir, contoh tekanan pada kondensor yang diperlihatkan pada gambar berikut.

Gambar 4 Tekanan Vakum

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

7



Tekanan Absolut Adalah tekanan yang titik nolnya dimulai dari nol Barometer atau tekanan terukur + tekanan atmosfir, contoh bila tekanan terukur ( gauge ) menunjukan 6 Bar, maka tekanan absolutnya akan menjadi 6 Bar + 1,013 Bar = 7,013 Bar absolut, lihat gambar di bawah ini.

Gambar 5 Tekanan Absolut

Satuan yang sering digunakan pada pengukuran tekanan adalah : Kg/cm 2 , Bar, psi, atm, mmHg, mmH2O, inHg. Pengukur tekanan yang sering dijumpai di Pembangkit Thermal adalah dengan menggunakan metode, sebagai berikut : 1. Kolom Zat Cair 2. Perubahan Elemen Elastis

1.1.

Pengukuran Tekanan Dengan metode Zat Cair 

Manometer Pipa U Manometer ini

sangat sederhana terdiri dari tabung gelas yang

berskala atau dari bahan lain yang dapat dibentuk huruf U dan diisi dengancairan, tabung gelas yang sering dipakai berukuran kira-kira 6mm atau ¼ inch. Cairan yang digunakan adalah air raksa atau air biasa yang diberi warna, dipilih tergantung dari range tekanan yang akan diukur, jika untuk mengukur tekanan yang rendah dipakai cairan dengan berat jenis ringan, sedang untuk mengukur tekanan yang tinggi dapat dipakai cairan dengan berat jenis besar. Manometer jenis ini banyak dipakai untuk mengukur tekanan ruang tertutup dan vakum.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

8

Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut : Pertama

manometer

diisi

dengan

cairan,

kemudian

sebelum

dipergunakan kedua ujungnya dihubungkan dengan atmosfir lebih dahulu dan kaki-kaki tabung harus berdiri sama tegak, hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan keseimbangan sehingga tinggi permukaan pada tabung 1 dan 2 sama. Kemudian ujung tabung 2 dihubungkan dengan tekanan yang akan diukur sedang ujung 1 tetap dihubungkan dengan atmosfir, sehingga pada tabung 1 dan 2 akan terjadi perbedaan tinggi cairan yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 6 Manometer U

Untuk mengetahui besarnya tekanan yang diukur dapat dipakai perhitungan sebagai berikut :

P2 dimana

:

- P1 = γ . H

P1 = Tekanan pada tabung kanan P2 = Tekanan pada tabung kiri γ

= Berat jenis cairan

H

= Pebedaan tinggi cairan

Manometer tabung huruf U yang lain adalah manometer dimana salah satu ujungnya tertutup dan vakum. Manometer ini dipakai untuk mengukur tekanan tekanan absolut, lihat gambar di bawah ini.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

9

Gambar 7 Tekanan Absolut



Bourdon Tube ( Tabung Bourdon ) Tabung bourdon dibuat dari tabung yang pipih, dapat berbentuk C, spiral atau helix, lihat gambar. Prinsip kerja dari pengukur tekanan dengan tabung Bourdon bentuk C adalah sebagai berikut : Apabila tabung Bourdon diberi tekanan maka Bourdon akan mengembang dan gerakan tersebut dirubah menjadi penunjukkan melalui link kage dan roda gigi. Bahan logam yang dipergunakan untuk pembuatan bourdon adalah phospor bronze, alloy steel, stainless steel & berrylium copper.

Gambar 8 Tabung berbentuk C

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

10

Gambar 9 Spiral

Gambar 10 Helix



Bellow Bellow juga dibuat dari bahan-bahan logam yang dipakai untuk membuat diagfragma dan didalamnya dipasang pegas. Fungsi pegas ini untuk mendapatkan pengukuran yang lebih besar, lihat gambar di bawah. Contoh pengukuran tekanan dengan system Bellow dapat dilihat pada gambar berikut.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

11

Gambar 11 Bellow

2.

Alat Ukur Temperatur (Suhu) Temperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu benda. Panasdinginnya suatu benda berkaitan dengan energi termal yang terkandung dalam benda tersebut. Semakin besar energi termalnya, maka semakin besar temperaturnya. Besaran temperatur berfungsi menunjukkan nilai atau derajat panas suatu benda. Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara mikroskopis, temperatur menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Suatu benda tersusun dari atom-atom, dan setiap atom tersebut masingmasing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan (translasi) maupun gerakan di tempat berupa getaran. Semakin tinggi energi yang dimiliki oleh atom-atom penyusun benda tersebut maka semakin tinggi temperatur benda tersebut. Besarnya nilai temperatur dapat diukur dengan alat termometer. Empat macam termometer yang paling dikenal adalah Celsius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

12

Gambar 12 Termometer

Pada dasarnya pengukuran temperatur dapat dilakukan dengan berbagai metode. Diantaranya adalah : a. Perubahan dimensi fisik -

Bimetal

-

Termometer gelas

b. Perubahan hambatan listrik -

RTD

-

Thermistor

c. Pembangkitan tegangan (thermoelectric) -

Thermocouple

Penjelasan dari berbagai macam metode di atas adalah sebagai berikut :

2.1.

Perubahan Dimensi Fisik a. Termometer Bimetal Termometer tipe ini terdiri dari 2 buah jenis logam yang mempunyai koefisien muai yang berbeda yang digabungkan menjadi satu. Prinsip kerjanya bila terjadi kenaikan temperatur maka logam yang koefisiennya lebih besar akan memuai lebih panjang. Oleh karena pemuaian tersebut tertahan oleh logam yang lain maka logam tersebut akan melengkung membentuk defleksi. Defleksi ini dimanfaatkan untuk menggerakkan jarum penunjuk dan linier terhadap perubahan temperatur. Jenis logam yang biasa dipergunakan adalah invar dan alloy nikel besi.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

13

Suatu batang logam bila dipanaskan akan mengalami perubahan panjang sebagai berikut :

Lt  L0 (1   T ) Dimana : Lt

= Panjang metal pada temperatur akhir Tt

Lo = panjang pada temperatur awal T0 

= koefisien muai panjang

ΔT = Perubahan temperatur

Gambar 13 Prinsip kerja termometer bimetal

Gambar 14 Spiral-strip bimetal termometer

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

14

b. Termometer gelas Pada dasarnya thermometer jenis ini terdiri dari tabung kapiler dalam kemasan gelas yang berskala dan berisi cairan. Umumnya zat cair yang digunakan adalah alkohol atau air raksa. Akohol dipakai pada pengukuran temperatur rendah sedang air raksa untuk temperatur tinggi. Prinsip kerja thermometer ini berdasarkan perubahan volume

zat cair

yang disebabkan oleh perubahan temperatur, karena zat cair berada pada tabung kapiler yang berskala maka perubahan temperatur dapat dibaca. Besarnya perubahan volume zat cair akibat perubahan temperatur dapat dihitung dengan :

Vt  V0 (1    T ) Dimana :

Vt

= volume zat cair pada temperatur akhir Tt

V0 = volume pada temperatur awal T0 

= koefisien zat cair

ΔT = perubahan temperatur

Gambar 15 Termometer Gelas

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

15

2.2.

Perubahan Hambatan Listrik a. RTD (Resistant Temperature Detector) Prinsip dasar pada thermometer ini adalah perubahan temperatur akan mengakibatkan perubahan harga tahanan. Besarnya harga tahanan terhadap perubahan temperatur adalah :

Rt  R0 (1   T ) Dimana : Rt = tahanan listrik pada temperatur T oC Ro = tahanan listrik pada temperatur 0 oC ρ

= koefisien tahanan terhadap perubahan temperatur.

Logam yang digunakan dan batas pengukurannya ditunjukan pada tabel berikut : Tabel 1 Material yang digunakan untuk RTD

Rangkaian pengukur temperatur dengan tahanan. Rangkaian pengukur temperatur ini adalah suatu jembatan Wheat Stone yang diperlihatkan pada gambar di bawah. Tahanan R 1, R2 dan R3 adalah konstan, sedang Rt merupakan tahanan yang harganya berubah bila terjadi perubahan temperatur.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

16

Gambar 16 Rangkaian Pengukur Temperatur Dengan Tahanan

Gambar 17 Instalasi RTD

b. Thermistor Istilah Thermistor berasal dari bahasa inggris yaitu Thermo dan Resistor yang bermakna Thermally Sensitive Resistor. Jadi Termistor adalah komponen atau sensor elektronika yang berguna ataupun dipakai sebagai pengukur temperatur. Termistor bisa dibuat dalam bentuk yang berbedabeda, bergantung pada rangkaian elektronika yang akan diukur temperatur suhunya. Dalam sebuah rangkaian elektronika Termistor disimbolkan dengan huruf TH. Termistor terbagi dalam 2 jenis yakni: 1. NTC (Negative Temperature Coeficient) NTC merupakan termistor yang mempunyai koefisient negatif. Termistor ini terbuat dari logam oksida yaitu dari serbuk yang halus kemudian dikompress dan disinter pada temperatur yang tinggi. Kebanyakan material penyusun termistor mengandung unsur–unsur seperti O3, Cu2O, Mn2O3, NiO, CO2, Fe2O3, TiO2, dan U2O3. Oksida-oksida tersebut sebetulnya mempunyai resistansi yang cukup tinggi, akan tetapi bisa diubah menjadi semikonduktor dengan menambahkan beberapa unsur lain. Thermistor logam oksida digunakan dalam daerah 200 0K sampai 7000K.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

17

2. PTC (Positive Temperature Coeficient) PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan dengan NTC antara lain : Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya pada interval suhu tertentu, sehingga di luar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif. Nilai dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada termistor NTC.

Sesuai namanya, nilai resistansi thermistor NTC akan turun jika terjadi kenaikan temperatur di sekitarnya (berbanding terbalik / negatif). Sedangkan untuk thermistor PTC semakin tinggi temperatur di sekitarnya, semakin tinggi pula nilai resistansinya (berbanding lurus / positif).

Gambar 18 RTD

Hubungan temperatur dan hambatan pada thermistor dapat dinyatakan sebagai berikut :

Rt  R0e

1 1    Tt T0 



Dimana : Rt = tahanan listrik pada temperatur Tt R0 = tahanan listrik pada temperatur referensi T0 β

= koefisien tahanan terhadap perubahan temperatur

e

= konstanta euler (2.71828.....)

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

18

2.3.

Pembangkitan Tegangan a. Thermocouple Termokopel terdiri dari dua logam berlainan jenis yang

digabungkan.

Salah satu ujung dari kedua logam tersebut digabungkan dan diberi sumber panas pada ujung yang lain akan timbul tegangan listrik (mili volt). seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 19 Prinsip Termokopel

Pada gambar berikut, kedua ujung-ujung logam disambung, bila pada sambungan titik A diberi sumber panas dan titik B berada pada media dingin maka dititk A dan B juga akan timbul tegangan. Beda potensial antara kedua logam hanya terjadi bila terdapat beda temperatur antara keduanya.

Gambar 20 Prinsip Termokopel

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

19

Secara umum, termokopel tersusun atas bagian-bagian sebagai berikut :

Gambar 21 Bagian-bagian Termokopel

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

20

Berikut ini adalah table jenis-jenis termokopel :

Gambar 22 Standard Termokopel

Dari beberapa jenis termokopel yang banyak dipakai adalah type T, J dan K .

3.

ALAT UKUR PERMUKAAN (LEVEL) Maksud dari pengukur tinggi permukaan adalah untuk mengetahui volume cairan yang ada dalam suatu tangki. Pengukur tinggi permukaan dapat dilakukan dengan beberapa metode, yaitu :

3.1 Pengukuran tinggi permukaan tabung dengan manometer tabung U ( Tangki Tertutup ) Pada metoda ini tinggi permukaan diketahui dengan mengukur beda tekanan pada tabung A dan B. Hubungan antara tinggi permukaan zat cair dengan beda tekanan dinyatakan dalam persamaan berikut :

  1 H  h  2   H1  1 2  Dimana :

H = Tinggi permukaan zat cair yang diukur. h

= Beda tinggi cairan pada manometer.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

21

2 = Berat jenis cairan manometer. 1 = Berat jenis zat cair dalam tangki. H1 = Tinggi tabung dari skala 0 % sampai dasar tangki.

Gambar 23 Pengukur Tinggi Permukaan Dengan Manometer Tabung U

3.2 Prinsip kerja dengan gelas penunjuk Prinsip kerja dari pengukur tinggi permukaan dengan gelas penunjuk adalah mengikuti hukum bejana berhubungan dimana tinggi permukaan pada tangki akan selalu sama dengan gelas penunjuk, lihat gambar di bawah.

Gambar 24 Prinsip Kerja Gelas Penunjuk

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

22

Ada beberapa gelas penunjuk yang sering dipakai yaitu bentuk tabung, datar dan type mata sapi (Bull eye).

Gambar 25 Tipe-tipe Sight Glass

3.3 Prinsip kerja sistem pelampung Prinsip kerja dari pengukur tinggi permukaan cairan dengan sistem pelampung adalah sebagai berikut : Apabila tinggi permukaan cairan dalam tangki berubah maka pelampung bergerak mengikuti perubahan tersebut. Gerakan ini dihubungkan dengan jarum penunjuk melalui pita/tali seperti yang ditunjukan pada gambar di bawah ini.

Gambar 26 Prinsip Kerja Sistem Pelampung

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

23

3.4 Alat ukur hidrolik Pada gambar di bawah, apabila level permukaan naik dan pelampung bergerak ke atas maka lengan pelampung akan mendorong bellow sebelah atas sehingga volumenya mengecil sementara bellow bagian bawah akan tertarik ke atas, sehingga bellow akan memanjang dan volumenya membesar. Bellow bagian atas akan mendorong fluida yang ada di dalamnya ke bellow bagian bawah (pada indikator). Gerakan mengembang dari bellow bagian bawah (pada tangki) akan menghisap fluida pada bellow bagian atas (pada indikator) sehingga volume bagian atas (indikator) akan mengecil.

Gambar 27 Pengukuran Tinggi Permukaan Dengan Pelampung

Gerakan mengembang dari bellow bawah akan mengerut bellow atas (indikator) menyebabkan jarum indikator akan bergerak searah jarum jam. Apabila terjadi perubahan temperatur yang sekaligus akan mempengaruhi volume zat cair, maka perubahan tersebut akan dinetralisir oleh rangkaian kompensasi suhu. Perubahan temperatur akan mempengaruhi volume kedua bellow, sehingga resultan yang dihasilkan adalah nol. Artinya perubahan temperatur tidak akan merubah penunjukan level.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

24

3.5 Detektor tinggi hidrostatis Cara yang paling banyak digunakan untuk pengukuran level cairan pada proses plant adalah dengan metoda

“tekanan head-hidrostatik“, dengan

perhitungan : Ketinggian( h) =

Tekanan (P) Berat jenis (  g)

Gambar di bawah ini memperlihatkan suatu kolom terbuka diisi dengan air (H2O) setinggi 10 meter yang mempunyai density 1000 kg/m3 .

Gambar 28 Prinsip Kerja Head - Hidrostatik

Dengan demikian tekanan P2 akan sama dengan tekanan atmosfer (1 atm.a = 0 atm.g), jadi tekanan P adalah : P = P2 + (ρgH) = 0 + (1000 kg/m3 × 9,81 m/s2 × 10 m) = 98100 Pa = 98,1 kPa. Dengan menggunakan faktor konversi 1 atm = 101,325 kPa = 10,332 mH2O (pada 4 oC) maka harga 98,1 kPa sama dengan :

101,325 kPa 98,1kPa = 10,332 mH2O x

 x = 10 mH2O

Setelah mengukur tekanan P 1, dan mendapatkan harga tekanan 10 mH2O dengan anggapan bahwa densitinya homogen (merata pada semua cairan), maka kita dapat menyatakan bahwa level atau ketinggian cairan di dalam kolom tersebut adalah 10 meter. (yang diukur disini adalah beda tekanan antara P 1 dan P2). Instrumen yang digunakan untuk mengukur dan mengubah besaran sinyalnya dinamakan transmitter tekanan. Instrumen ini biasanya dilengkapi dengan diagfragma yang berfungsi sebagai elemen sensor terhadap tekanan hidrostatik cairan.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

25

Gambar 29 Head – Hidrostatik Level Gauge

Aplikasi pengukuran level pada drum boiler, umumnya digunakan transmitter tekanan differential yang instalasinya dilengkapi dengan isolasi, kolom air-sirkulasi dan reservoir kondensasi. Untuk pengukuran level pada tangki yang bertekanan rendah (misalnya tangki kondensat), maka biasanya menggunakan transmitter level tipe pipa-torsi (level-troll).

3.6

Pengukuran tinggi permukaan dengan sistem gelembung udara (Tangki Terbuka) Alat pengukur tinggi permukaan dengan sistem gelembung udara ini terdiri dari sumber udara, katup pengatur tekanan, rota meter / sight gelas ( gelas pengelihat gelembung ), manometer dan pipa tembaga. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut : Pipa

tembaga yang bagian ujung bawahnya dibuat berlubang kecil,

dicelupkan ke dalam tangki yang berisi cairan dan berada di atas dasar tangki kira-kira 7 cm, lihat gambar 20. Udara dimasukan sedikit demi sedikit dengan katup pengatur tekanan kemudian usahakan aliran dibuat konstant agar diperoleh hasil pengukuran yang teliti. Tekanan yang terukur pada manometer sebanding dengan tekanan di ujung pipa yang menunjukan tinggi cairan dalam tangki.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

26

Gambar 30 Pengukur Tinggi Permukaan Dengan Sistem Gelembung Udara

3.7 Pengukuran dengan metoda ultrasonik Prinsip kerja pengukur tinggi permukaan dengan Ultrasonik adalah sebagai berikut : Sumber suara yang mempunyai frekuensi sangat tinggi dipantulkan pada permukaan benda yang akan diukur. Hasil pantulan gelombang tersebut diterima oleh Receiver/Transmiter kemudian outputnya dikirim kepenunjukan/indikator lihat gambar berikut.

Gambar 31 Pengukuran Level Dengan Metode Ultrasonik

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

27

4.

ALAT UKUR ALIRAN (FLOW). Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik. Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Berikut ini adalah metode-metode yang digunakan dalam pengukuran aliran (flow).

4.1.

Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah.. Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar (pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai apabila gerakan partikel 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.

RD 

D V



Kecepatan kritis dinamakan juga angka Reynold, dituliskan tanpa dimensi: di mana :

D = dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter ρ = kerapatan fluida V = kecepatan fluida μ = kekentalan absolut fluida

Batas kecepatan kritis untuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300. Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow meter, rotameter, cara thermal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik,

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

28

ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan. Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

P1  12 1  .g.h1  P2  12  2  .g.h2 2

2

dimana: P = tekanan fluida ρ = masa jenis fluida v = kecepatan fulida g = gravitasi bumi h = tinggi fluida (elevasi)

v2

P1

P2

v1 h2

h1

Gambar 32 Hukum Kontiunitas

Jika h1 dan h2 dibuat sama tingginya maka

P1  12 1  P2  12  2 2

2

atau

1 2

.( 12   2 2 )  P2  P1

Perhatian : Rumus diatas hanya berlaku untuk aliran Laminer, yaitu aliran yang memenuhi prinsip kontinuitas. Pipa pitot, orifice plate, pipa venturi dan flow Nozzle menggunakan hukum Bernoulli diatas. Prinsip dasarnya adalah membentuk sedikit perubahan kecepatan dari aliran fluida sehingga diperoleh perubahan tekanan yang dapat diamati. Pengubahan kecepatan aliran fluida dapat dilakukan dengan mengubah diameter pipa, hubungan ini diperoleh dari Hukum kontiunitas aliran fluida. Perhatikan rumus berikut:

A1 .D1  A2 .D2 ,

di mana : A = luas penampang pipa,

D = debit fluida

Karena debit fluida berhubungan langsung dengan kecepatan fluida, maka jelas kecepatan fluida dapat diubah dengan cara mengubah diameter pipa.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

29

a. Orifice Plate Alat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang lebih kecil dari ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet (P 1) dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet (P 2). Jika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan P1 akan lebih besar dari tekanan outlet P2. Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari : 1. Konstruksi sederhana 2. Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan. 3. Harga pembuatan alat cukup murah 4. Output cukup besar Kerugian menggunakan cara ini adalah : 1. Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada bagian pelat disisi inlet. 2. Jangkauan pengukuran sangat rendah 3. Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer. 4. Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah. P2

P1

Aliran fluida P1 > P2 Gambar 33 Orifice Plate

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

30

Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah :

Q  KA2

2g



P1  P2

di mana : Q = jumlah fluida yang mengalir ( m3/dt) K = konstanta pipa A2 = luas penampang pipa sempit P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 ρ = masa jenis fluida g = gravitasi bumi Rumus ini juga berlaku untuk pipa venturi b. Pipa Venturi Bentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture. Pada pipa venture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama (P1) diletakkan pada sudut tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada bagian yang plaing menjorok ke tengah. Pipa venturi biasa dipergunakan untuk mengukur aliran cairan. Keuntungan dari pipa venturi adalah: 1. Partikel padatan masih melewati alat ukur 2. Kapasitas aliran cukup besar 3. Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate. 4. Tahan terhadapa gesakan fluida. Kerugiannya adalah: 1. Ukuiran menjadi lebih besar 2. Lebih mahal dari orifice plate 3. Beda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

31

P2

P1

Aliran Fluida P1 > P2

Gambar 34 Pipa Venturi

c. Flow Nozzle Tipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara sambungan pipa sensor tekanan P 1 dibagian inlet dan P2 dibagian outlet. Tekanan P2 lebih kecil dibandingkan P1. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabanding venture dan orifice plate yaitu: 1. Masih dapat melewatkan padatan 2. Kapasitas aliran cukup besar 3. Mudah dalam pemasangan 4. Tahan terhadap gesekan fluida 5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi 6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer P1

P2

P1 > P2 Aliran fluida Gambar 35 Flow Nozzle

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

32

d. Pipa Pitot Pitot tube ialah pipa terbuka kecil dimana permukaannya bersentuhan langsung dengan aliran. Terdiri dari 2 pipa, yaitu : •

Static tube (untuk mengukur tekanan statis) Pipa ini membuka secara tegak lurus sampai ke aliran sehingga dapat diketahui tekanan statisnya.

•

Impact/stagnation tube (untuk mengukur tekanan stagnasi = velocity head) Impact pressure selalu lebih besar daripada static pressure dan perbedaan antara kedua tekanan ini sebanding dengan kecepatan. Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa

diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. Alat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat. Cara kerja pitot tube : 

Pipa yang mengukur tekanan statis terletak secara radial pada batang yang dihubungkan ke manometer (pstat)



Tekanan pada ujung pipa di mana fluida masuk merupakan tekanan stagnasi(p0)



Kedua pengukuran tekanan tersebut dimasukkan dalam persamaan Bernoulli untuk mengetahui kecepatan alirannya



Sulit untuk mendapat hasil pengukuran tekanan stagnasi secara nyata karena adanya friksi pada pipa. Hasil pengukuran selalu lebih kecil dari kenyataan akibat faktor C (friksi empirik)

1 V 2 , ( Bernoulli ) 2 V  2( p0  pstat ) /  p0  pstat 

V  C 2( p0  pstat ) /  P0 = stagnation pressure Pstat = static pressure

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

33

P1

P2

P1 > P2 Aliran fluida Gambar 36 Pipa Pitot

Prinsip dari pitot tube : Energi kinetik dikonversikan menjadi static pressure head Aplikasi pipa pitot : 

Mengukur kecepatan pada pesawat (airspeed)



Altimeter pesawat



Mengukur tekanan fluida pada wind tunnel (terowongan angin)



Gambar 37 Skema Pipa Pitot

e. Rotameter Rotameter terdiri dari tabung vertikal dengan lubang gerak di mana kedudukan pelampung dianggap vertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung. Untuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap stasioner karena gaya vertical dari tekanan diferensial, gravitasi, kekentalan, dan gaya-apung akan berimbang. Jadi kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan tergantung pada luas dapat ditentukan.

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

34

Outlet

Tabung gelas

Pelampung

x Inlet Gambar 38 Rotameter

Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan yang diperlukan (W f-W ff) untuk mengukur cairan atau gas tertentu. Tabung sering dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung terhadap kedudukan pelampung.

4.2.

Turbine flow sensors Disebut juga flow meter, menggunakan tongkat roda (paddle wheel) atau baling-

baling yang diletakkan pada garis aliran. Kecepatan rotasi dari roda berbanding langsung dengan kecepatan aliran. Aliran medium akan mengeliminasi tipe sensor ini untuk beberapa aplikasi, khususnya temperatur tinggi atau fluida tipe abrasive.

Gambar 39 Turbine Flow Sensor

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

35

4.3.

Flowmeter Jenis khusus Dibagi menjadi beberapa jenis yaitu :

a. Flowmeter Radio Aktif Teknik pengukuran aliran dengan radio aktif adalah dengan menembakkan partikel netron dari sebuah pemancar radio aktif. Pada jarak tertentu ke arah outlet, dipasang detector. Bila terjadi aliran, maka akan terdeteksi adanya partikel radio aktif, jumlah partikel yang terdeteksi pada selang tertentu akan sebanding dengan kecepatan aliran fluida. Teknik lain yang masih menggunakan teknik radioaktif adalah dengan cara mencampurkan bahan radio aktif kedalam fluida kemudian pada bagian-bagian tertentu dipasang detector. Teknik ini dilakukan bila terjadi kesulitan mengukur misalnya karena bahan aliran terdiri dari zat yang berada pada berbagai fase. Teknik radio aktif ini juga bila dipergunakan pada pengobatan yaitu mencari posisi pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan.

Sumber radiasi netron

Aliran

Detektor mendeteksi muatan ion akibat radiasi Gambar 40 Flowmeter Cara Radiasi Nuklir

b. Flowmeter Elektromagnetis Flowmeter jenis ini biasa digunakan untuk mengukur aliran cairan elektrolit. Flowmeter ini menggunakan prinsip Efek Hall, dua buah gulungan kawat tembaga dengan inti besi dipasang pada pipa agar membangkitkan medan magnetik. Dua buah elektroda dipasang pada bagian dalam pipa dengan posisi tegak lurus arus medan magnet dan tegak lurus terhadap aliran fluida. Bila terjadi aliran fluida, maka ion-ion posistif dan ion-ino negatif membelok ke arah elektroda.

Dengan

demikian

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

terjadi beda

tegangan

pada

elektroda-

36

elektrodanya. Untuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat digunakan arus AC sebagai pembangkit medan magnet. Lintasan ion positif

+

Medan magnet arah meninggalkan kita

Elektroda logam

Aliran fluida

_ Lintasan ion negatif Gambar 41 Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan Efek Hall

c. Flowmeter Ultrasonic Flowmeter ini menggunakan Azas Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa, untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic Ultra sonic Tx - Rx

Ultra sonic Tx - Rx Gambar 42 Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

37

SOAL LATIHAN

1. Jelaskan prinsip kerja dari RTD 2. Jelaskan prinsip kerja dari orifice berdasarkan hukum Bernoulli

Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal

38