Teknik Telekomunikasi: FLOW METER

Flowmeter adalah alat untuk mengukur berapa jumlah aliran yang mengalir di dalam pipa. Flowmeter ada beberapa jenis yang di dunia instrumentasi. Berdasarkan dasar - dasar cara kerjanya flowmeter memiliki unsur utama yaitu berupa primary element, head type primary element dan secondary element :

1. Primary Element ( Unsur utama)

Unsur utama (Primary Element) nya adalah bagian kontak dengan media tekanan, baik secara langsung maupun tidak langsung, dan berinteraksi dengan perubahan tekanan. Primary Element adalah pengukur aliran menyebabkan tekanan diferensial, yang kemudian menghasilkan perhitungan aliran (flow computation).

Kategori yang paling khas Primary Element yang digunakan dalam pengukuran aliran adalah jenis head, yang pada dasarnya hanya terdiri dari beberapa bentuk pembatasan sejalan s flow. Primary Element umum lainnya termasuk tipe area (area type), seperti rotameter dan silinder dan metode piston, tipe head area, seperti kabel dan flumes, dan jenis kekuatan, termasuk sasaran meter dan baling-baling berayun. Semua teknik ini, dan lain-lain tidak disebutkan, mirip dengan batas tertentu.

2. Head Type Primary Element

Jenis umum head primary elemet termasuk venturis, pelat orifice (orifice plat), nozel aliran(flow nozzles), dan tabung pitot (pitot tubes). Unsur-unsur ini semua bekerja pada teori (Bernoulli)

"Total energi pada setiap titik dalam pipa atau saluran adalah sama dengan total energi pada titik lain, jika kerugian gesekan antara dua titik maka diabaikan".

3. Secondary Element

Elemen sekunder dari sistem pengukuran tekanan diartikan sebagai interaksi dari elemen primer dengan media tekanan menjadi nilai yang sesuai untuk digunakan dalam menunjukkan, merekam (recording), dan / atau pengendalian.

Elemen sekunder dalam pengertian umum dapat dianggap sebagai meter basah atau kering meter meter basah (wet meters, dry meters), menggunakan terminologi ini, akan menjadi elemen-elemen di mana proses fluida itu sendiri berada dalam kontak dengan cairan (biasanya merkuri) dalam perangkat. Wet meters tidak menggunakan cairan untuk kontak dengan proses cairan.

- Wet Meters

Wet meters termasuk metode indikasi tekanan terlama dan paling sederhana dalam industri-manometer cair. Dimana tekanan statis rendah dan hanya indikasi visual diperlukan, manometer visual yang digunakan. Gambar 2 menunjukkan U-tabung sederhana, reservoir dan manometer miring (inclined manometers), Kesamaan di antaranya jelas.

Dimana tekanan tinggi ada, merkuri sering digunakan sebagai cairan. Gambar 2 juga menunjukkan mercury float-type manometer. Berikut posisi pelampung di permukaan merkuri mendefinisikan tingkat merkuri, yang pada gilirannya mendefinisikan tekanan yang dibutuhkan untuk memberikan tingkat ini.

Ada banyak terkait "wet meters" dalam teknik lain untuk digunakan dalam pengukuran tekanan, seperti inverted bell meter, dan the ring balance meter.

- Dry Meters

Dry (kadang-kadang disebut mercuryless) meter umumnya digunakan di mana indikasi dioperasikan langsung atau rekaman tekanan diferensial yang diperlukan dan di mana cairan berbahaya dipisahkan dari proses.

Jenis bellow, dimana tekanan di bellow adalah sebuah kompres rentang waktu semi yang dikalibrasi, akhirnya, melalui link dan tuas, drive pena pada grafik instrumen, sering digunakan.

Instrumen yang paling banyak digunakan, pressure transmitter.

Sedangkan berikut adalah beberapa tipe flowmeter :

1. Differential Pressure type
Differential pressure (DP) flow meter adalah yang paling banyak digunakan. Prinsip operasi DP flow meter pada pemikiran bahwa pressure drop diantara meter adalah sebanding dengan kwadrat dari flow rate. Pengukuran pressure drop sendiri dilakukan dengan menggunakan primary element, yang menyebabkan perubahan energi kinetik pada pipa. Jenis primary element ini diantaranya: orifice plate, venturi tube, pitot tube, dan annubar. Selanjutnya secondary element mengukur DP yang terjadi dan mengeluarkan sinyal (read out) setelah dikonversi ke actual flow.

a. Orifice plate

Sebuah plat orifice adalah pelat tipis dengan lubang di dalamnya, yang biasanya ditempatkan dalam pipa. Ketika cairan (baik cair atau gas) melewati lubang, tekanannya bertambah pada aliran upstream sebelum lubang dan fluida akan melewati lubang, kecepatan yang meningkat dan tekanan fluida berkurang pada aliran downstream. Pada aliran downstream di mana kecepatan mencapai maksimum dan tekanan mencapai minimum. Selain itu, aliran bertambah, kecepatan aliran berkurang dan tekanan meningkat. Dengan mengukur perbedaan tekanan fluida di tappings upstream dan downstream dari plate orifice, laju aliran dapat diperoleh dari persamaan koefisien Bernoulli.

DP (Differential Pressure) flowmeters mengukur penurunan tekanan (pressure drop) di flow element dalam pipa, seperti orifice plate. Debit yang diukur adalah berasal dari penurunan tekanan. Jadi flowmeter terdiri dari unsur aliran di pipa, serta differential pressure transmitter. Untuk pemasangan DP flowmeter dengan menggunakan orifice plate, disarankan untuk menghindari adanya turbulance atau gangguan. Karena aliran yang dianjurkan untuk orifice plate adalah aliran laminar (stabil). Karena apabila ada turbulance maka akan terjadi perubahan tekanan yang bisa mengganggu pengukuran. Hindari adanya valve, elbow dll terlalu dekat. Semakin jauh semakin baik. Untuk posisi upstream (sebelum orifice plate)lebih baik lebih dari 10 x D (diameter pipa) dan posisi downstream 5 x D.
Berikut adalah cara pemasangan DP Flowmeter dengan menggunakan orifice plate :

b. Venturi tube

       Efek Venturi adalah efek jet; seperti corong yang menyebabkan kecepatan fluida meningkat karena luas penampang mengecil, dengan tekanan statis juga menurun. Menurut hukum dinamika fluida, kecepatan fluida ini harus meningkatkan saat melewati lubang yang mengecil untuk memenuhi prinsip dinamika fluida, sementara tekanannya harus berkurang untuk memenuhi prinsip energi mekanik. Jadi setiap energi kinetik cairan yang bertambah karena kecepatannya bertambah melalui lubang sempit akan menyebabkan penurunan tekanan.
        Ketika cairan seperti air mengalir melalui tabung yang menyempit ke diameter yang lebih kecil, pembatasan sebagian menyebabkan tekanan yang lebih tinggi pada saluran masuk daripada di titik penyempitan. Perbedaan tekanan ini menyebabkan cairan kecepatan bertambah ke arah tekanan rendah pada bagian yang sempit. Venturi Flowmeter menggunakan hubungan antara perbedaan tekanan dan kecepatan fluida untuk menentukan laju aliran volumetrik.
c.     Flow nozzle

Flow nozzle adalah variasi dari venturi tube. Umumnya dipakai untuk aplikasi steam/vapor pada kecepatan tinggi (Reynolds number >50000). Selisih tekanan (DP) terjadi dari bagian sensor yang memiliki inlet berbentuk eliptikal dan outlet berbentuk nozzle. Umumnya berukuran >2 inchi, dengan akurasi 1-2%. Pressure tap dipasang pada 0.5D downstream dan 1D upstream.
d. Pitot tube

Pitot tube adalah instrumen pengukuran tekanan digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida. Tabung pitot diciptakan oleh insinyur Perancis Henri Pitot pada awal abad ke-18 dan telah dimodifikasi untuk bentuk modern pada pertengahan abad ke-19 oleh ilmuwan Prancis Henry Darcy. Hal ini banyak digunakan untuk menentukan kecepatan udara dari pesawat terbang, kecepatan air dari perahu, dan untuk mengukur cairan, udara dan gas kecepatan dalam aplikasi industri. Tabung pitot digunakan untuk mengukur kecepatan pada suatu titik dalam aliran dan bukan kecepatan rata-rata dalam pipa atau conduit.

Tabung pitot dasar terdiri dari sebuah tabung yang langsung mengarah ke aliran fluida . Seperti tabung ini berisi cairan, tekanan dapat diukur, cairan bergerak yang dibawa berhenti (stagnan)karena tidak ada jalan keluar untuk memungkinkan aliran untuk melanjutkan. Tekanan ini adalah tekanan stagnasi dari fluida , juga dikenal sebagai tekanan total atau ( terutama dalam penerbangan ) tekanan pitot .

Tekanan stagnasi diukur tidak sendiri bisa digunakan untuk menentukan kecepatan fluida ( kecepatan udara dalam penerbangan ) . Namun, persamaan Bernoulli menyatakan :
Tekanan stagnasi = tekanan statis + tekanan dinamis

CATATAN : Persamaan di atas berlaku HANYA untuk cairan yang dapat diperlakukan sebagai cairan yang dimampatkan . Cairan diperlakukan untuk semua kondisi . Gas dalam kondisi tertentu dapat diperkirakan sebagai gas yang dimampatkan pula.

di mana :
V adalah kecepatan fluida ;
Pt adalah stagnasi atau tekanan total ;
Ps adalah tekanan statis ;

Rho adalah densitas fluida .

Tekanan dinamis adalah perbedaan antara tekanan stagnasi dan tekanan statis. Tekanan statis umumnya diukur dengan menggunakan port statis di sisi badan pesawat. Tekanan dinamis kemudian ditentukan dengan menggunakan diafragma di dalam wadah tertutup . Jika udara pada satu sisi diafragma adalah pada tekanan statis, dan yang lainnya pada tekanan stagnasi, maka defleksi diafragma sebanding dengan tekanan dinamis, yang kemudian dapat digunakan untuk menentukan kecepatan udara.

e. Variable area (Rotameter)

Pertama kali Variable area flowmeter dengan float (pelampung) berputar diciptakan oleh Karl Kueppers di Aachen pada tahun 1908. Hal ini dijelaskan dalam paten Jerman 215.225. Felix Meyer menemukan perusahaan industri pertama “Deutsche Rotawerke GmbH” di Aachen mengakui pentingnya dari penemuan ini. Mereka mengembangkan penemuan ini dengan bentuk baru dari float dan tabung kaca. Kueppers menemukan bentuk khusus untuk bagian dalam tabung gelas yang dipasangi skala simetris.

Nama merek Rotameter telah didaftarkan oleh perusahaan Inggris GEC Rotameter Co, di Crawley, dan masih ada, yang telah diturunkan melalui rantai akuisisi: KDG Instrumen, Solartron Mobrey, dan Emerson Proses Manajemen (Brooks Instrument). Rota sekarang “Rotamesser” sekarang dimiliki oleh Yokogawa Electric Corp. Sebuah rotameter terdiri dari tabung meruncing , biasanya terbuat dari kaca dengan pelampung ,di dalam tabung kaca pelampung yang didorong oleh kekuatan aliran dan ditarik ke bawah oleh gravitasi .

Sebuah laju aliran volumetrik yang lebih tinggi melalui daerah tertentu meningkatkan kecepatan aliran dan gaya tarik , sehingga pelampung akan didorong ke atas . Namun, bagian dalam rotameter adalah berbentuk kerucut ( melebar ) , daerah sekitar pelampung melalui media yang mengalir bertambah, kecepatan aliran dan gaya tarik penurunan sampai ada keseimbangan mekanis dengan berat float itu .

Pelampung yang dibuat dalam berbagai bentuk , dengan bola dan ellipsoids yang paling umum. Pelampung mungkin diagonal beralur dan sebagian berwarna sehingga berputar secara aksial dengan cairan melewati . Hal ini menunjukkan jika pelampung akan berputar. Pembacaan biasanya diambil di bagian atas bagian terluas dari pelampung, titik tengah dari ellipsoid , atau bagian atas dari silinder. Beberapa produsen menggunakan standar yang berbeda.
Pelampung akan mengapung dalam cairan : itu harus memiliki density lebih tinggi dari cairan, jika tidak maka pelampung akan mengapung sampai ke atas walaupun tidak ada aliran . Akurasi dari rotameter yaitu berkisar 1 – 2 %, biasanya digunakan hanya untuk aliran yang rendah saja.

f. Wedge meter

g. V- Cone

2. Mass type

a. Coriolis

Salah satu jenis dari Mass type flow meter adalah Coriolis Flow Meter.

Asal kata coriolis berasal dari serorang ahli matematika dari Prancis bernama Gustave Coriolis (1792-1843). Gaya coriolis adalah sebuah gaya yang dihasilkan pada sebuah “U” atau “straight” tube (tabung). Tabung tersebut bergetar atau beresonansi dengan frekuensi tertentu. Dengan asumsi pada saat belum ada fluida yang mengalir, maka resonansi pada tabung tersebut dalam keadaan standard. Otomatis pada saat ada fluida yang mengalir ke dalam pipa tersebut akan terjadi perbedaan frekuensi. Perbedaan inilah yang dideteksi oleh coil electromagnetic sebagai mass flow.
Coriolis flowmeter selain digunakan untuk mengukur mass juga terkadang digunakan untuk mengukur volume atau density. Karena mass, volume dan density saling berhubungan. Sesuai dengan rumus :
M/D = V

M =Mass (kg)

D = Density (kg/m3)

V = Volume (m3)
Flowmeter ini mempunyai akurasi yang cukup baik yaitu 0.1 % untuk liquid dan 0.5% untuk natural gas. Dengan akurasi tersebut terkadang digunakan untuk custody transfer atau fluida yang mengalir adalah untuk dijual kembali ke pihak lain.

b. Thermal

3. Velocity type

Salah satu jenis velocity type flow meter adalah turbine flow meter.

Diciptakan oleh Reinhard Woltman di Abad ke-18, flowmeter turbin adalah flowmeter yang akurat dan dapat diandalkan untuk liquid dan gas. Dari rotor multi-blade dipasang dalam arah aliran fluida. Kecepatan rotasi adalah proporsional dengan aliran volumetrik. Putaran turbin dapat dideteksi oleh perangkat sensor solid state (induktansi, kapasitif dan Hall effect pick-up) atau dengan mekanik sensor (gear atau drive magnetik).

Turbine flowmeter sensitif dengan aliran fluidanya. Diusahakan dipasang dalam pipa lurus dengan pemasangan sejauh mungkin dari semua peralatan yang dipasang dalam pipa yang sama. Minimum adalah 5 x D (Diameter dari pipa) untuk mencegah aliran turbulen., semakin jauh semakin baik.

Untuk akurasi, dikarenakan flowmeter ini untuk “low cost market” maka akurasinya tidak cukup baik yaitu antara 1-3 %. Makanya banyak sekali tipe turbine digunakan di perusahaan air minum atau perusahaan yang hanya untuk mencari tahu jumlah flow rate yang ada di dalam pipa saja.

a. Magnetic

Populasi flowmeter yang ada di dunia lebih sering kita lihat adalah tipe magnetic flowmeter. Karena tipe ini cukup handal dan mudah untuk maintenancenya apabila tidak ada masalah maka akan tahan cukup lama.

Magnetic flowmeter menggunakan hukum faraday untuk prinsip kerjanya yang menggunakan induksi elektromagnet untuk mendeteksi velocity (kecepatan aliran) yang mengalir di dalam pipa.

b. Vortex

Vortex flowmeter berawal dari seorang penemu yang bernama Karman Vortex (1912). Prinsip kerja vortex flowmeter adalah dengan menempatkan batang vortex (shedder bar) ditengah tengah dari flow tube dari flowmeter. Pada saat ada aliran fluida yang mengenai batang vortex akan terbentuk gelombang vortex yang proporsional dengan flow rate (laju aliran) dari fluida tersebut. Frekuensi yang dihasilkan oleh gelombang vortex tersebut dideteksi oleh sensor piezo electric. Frekuensi yang dihasilkan proporsional dengan velocity(kecepatan aliran), yang apabila dibagi dengan luas area akan mendapatkan volumetric flowrate (volume).