Upload
yulianto
View
254
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Simple Inspiring Performing Phenomenal i
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 ii
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 iii
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 iv
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Material yang digunakan untuk RTD .............................................................. 16
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
5
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 :
Tekanan (Pressure).
Suhu (Temperatur).
Tinggi permukaan (Level).
Laju aliran (Flow)
1. ALAT UKUR TEKANAN
Tekanan adalah Gaya yang berkerja pada suatu bidang per satuan luas
bidang tersebut atau biasa ditulis :
F
PA
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
6
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
7
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
8
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/cm2 ,
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
9
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 - P1 = γ . H
dimana : 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
10
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
11
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
12
Gambar 11 Bellow
2. Alat Ukur Temperatur (Suhu)
Temperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu benda. Panas-
dinginnya 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 masing-
masing 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
13
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
14
Suatu batang logam bila dipanaskan akan mengalami perubahan panjang
sebagai berikut :
0( 1 )tL L 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
15
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 :
0(1 )tV V 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
16
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 :
0 1 ) ( tR R 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 R1, R2 dan R3 adalah
konstan, sedang Rt merupakan tahanan yang harganya berubah bila terjadi
perubahan temperatur.
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
17
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 berbeda-
beda, 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 2000K
sampai 7000K.
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
18
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 :
0
1 1
0tT T
tR R e
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
19
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
20
Secara umum, termokopel tersusun atas bagian-bagian sebagai berikut :
Gambar 21 Bagian-bagian Termokopel
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
21
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 :
21
1
1
2H h H
Dimana : H = Tinggi permukaan zat cair yang diukur.
h = Beda tinggi cairan pada manometer.
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
22
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
23
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
24
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
25
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 :
h
Tekanan (P)Ketinggian( ) =
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 :
2
2
101,325 kPa 98mH O
10,3
,1 kPa= x = 10
32 mH O x
Setelah mengukur tekanan P1, 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 P1 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
26
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
27
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
28
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.
D
D VR
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
29
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 :
2
2
221
21
2
121
1 .... hgPhgP
dimana: P = tekanan fluida
ρ = masa jenis fluida
v = kecepatan fulida
g = gravitasi bumi
h = tinggi fluida (elevasi)
Gambar 32 Hukum Kontiunitas
Jika h1 dan h2 dibuat sama tingginya maka
2
221
2
2
121
1 PP atau 12
2
2
2
121 ).( PP
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: 2211 .. DADA ,
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.
P1 P2
h2
h1
v2
v1
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
30
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 (P1)
dan satu lagi dibagian sisi pelat bagian outlet (P2). 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.
Gambar 33 Orifice Plate
Aliran
fluida
P2 P1
P1 > P2
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
31
Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah :
2 1 2
2gQ KA P P
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
32
Gambar 34 Pipa Venturi
c. Flow Nozzle
Tipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara
sambungan pipa sensor tekanan P1 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
Gambar 35 Flow Nozzle
P1
P2
Aliran
Fluida
P1 > P2
P2 P1
P1 > P2
Aliran
fluida
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
33
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)
P0 = stagnation pressure
Pstat = static pressure
/)(2
/)(2
)(,2
1
0
0
2
0
stat
stat
stat
ppCV
ppV
BernoulliVpp
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
34
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.
P1
Aliran
fluida
P2
P1 > P2
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
35
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
Inlet
Outlet
x
Tabung gelas
Pelampung
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
36
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.
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 terjadi beda tegangan pada elektroda-
Aliran
Sumber radiasi
netron
Detektor mendeteksi muatan
ion akibat radiasi
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
37
elektrodanya. Untuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat
digunakan arus AC sebagai pembangkit medan magnet.
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
Gambar 42 Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic
Ultra sonic
Tx - Rx
Ultra sonic
Tx - Rx
Aliran
fluida
Lintasan ion positif
Lintasan ion negatif
Medan magnet arah
meninggalkan kita
Elektroda
logam
+
_
Simple, Inspiring, Performing, Phenomenal
38
SOAL LATIHAN
1. Jelaskan prinsip kerja dari RTD
2. Jelaskan prinsip kerja dari orifice berdasarkan hukum Bernoulli