laju aliran fluida

"instrumentasi pengukuran laju alir fluida" 

BAB I
PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

       Dalam pabrik-pabrik pengolahan dilengkapi dengan berbagai macam alat pengoperasian setiap peralatan saling mendukung antar satu peralatan dengan peralatan yang lainnya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan maka diperlukan peralatan pendukung. Salah satu pendukung yang penting dalam suatu pabrik adalah peralatan instrument pabrik. Peralatan instrument merupakan bagian dari kelengkapan keterpasangan peralatan yang dapat digunakan untuk mengetahui dan memperoleh sesuatu yang dikehendaki dari suatu kegiatan kerja peralatan mekanik. Salah satu peralatan instrument yang penting adalah alat ukur. Pengukuran laju alir diperlukan untuk menentukan proporsi dan jumlah bahan yang mengalir masuk dan keluar proses. Dengan kata lain, pengukuran laju alir menunjukan berapa banyak fluida yang digunakan atau didistribusikan ke dalam proses.

       Pengukuran laju alir ditentukan dengan mengukur kecepatan cairan atau perubahan energi kinetiknya. Perbedaan tekanan yang terjadi pada saat cairan melintasi pipa mempengaruhi kecepatan suatu aliran. Karena luas penampang pipa sudah diketahui, kecepatan rata-rata merupakan indikasi dari laju alirnya.

       Banyak metoda yang sudah dikenal untuk pengukuran laju alir cairan. Alat yang dapat digunakan disesuaikan dengan sifat fluida tertentu, seperti: bersih, jernih, kotor, basah, kering, erosif, korosif, uap, sluri, multi pase, kental, dan lain-lain. Selain itu dikaitkan dengan sifat aliran seperti turbulensi dan laminar.

1.2. Rumusan Masalah

       · Apa pengertian pengukuran aliran dan jenis-jenis alat ukur aliran fluida?

       · Bagaimana prinsip kerja alat ukur aliran fluida?

1.3. Tujuan

       · Untuk mengetahui jenis alat ukur aliran fluida

       · Untuk mengetahui keuntungan dan kerugian alat ukur fluida

       · Untuk mengetahui prinsip kerja pengukuran aliran fluida

1.4. Manfaat

       · Memberikan informasi tentang alat ukur aliran fluida

       · Memberikan informasi tentang keuntungan dan kerugian alat ukur fluida

       · Memberikan informasi prinsip kerja pengukuran aliran fluida 

BAB II 
DASAR TEORI

2.1. Pengukuran Aliran

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

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

 Pada prinsipnya besar aliran fluida dapat diukur melalui :

       1. Kecepatan (velocity)

       2. Berat (massanya)

       3. Luas bidang yang dilaluinya

       4. Volumenya

      Pada umumya flow meter aliran berdasarkan tekanan ini menggunakan prinsip beda tekanan Bernoulli.

Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

dimana:  P  = tekanan fluida

                ρ  = masa jenis fluida

                v  = kecepatan fulida

            g  = gravitasi bumi

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 :

Dengan : 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.

2.2. Alat Ukur Laju Aliran Fluida

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

       Alat ukur aliran fluida jenis ini dibagi empat jenis yaitu:

       · Venturi meter

       · Nozzle

       · Pitot tubes

       · Flat orifice

       2.2.1. Venturimeter

gambar 2.2.1.a : venturimeter

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

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

VenturiMeter ini terbagi menjadi 4 bagian utama yaitu:

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

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

Jika aliran melalui venturi meter itu benar-benar tanpa gesekan, maka tekanan fluida yang meninggalkan meter tentulah sama persis dengan fluida yang memasuki meteran dan keberadaan meteran dalam jalur tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan tekanan yang bersifat permanen dalam tekanan. Penurunan tekanan pada inlet cone akan dipulihkan dengan sempurna pada outlet cone. Gesekan tidak dapat ditiadakan dan juga kehilangan tekanan yang permanen dalam sebuah meteran yang dirancangan dengan tepat.

                   A. Prinsip Kerja Venturimeter

gambar 2.2.1.b : prinsip kerja venturimeter

                       Prinsip Kerja Venturimeter tanpa manometer ini berdasar pada Asas Bernoulli yang berbunyi: Pada pipa mendatar (horizontal), tekanan fluida yang paling besar adalah pada bagian kelajuan alirnya paling kecil, dan tekanan paling kecil adalah pada bagian kelajuan alirnya paling besar.

                        Venturi meter Fluida yang mengalir dalam pipa mempunyai massa jenis ρ. Kecepatan fluida mengalir pada pipa sebelah kanan, maka tekanan pada pipa sebelah kiri lebih besar. Perbedaan tekanan fluida di dua tempat tersebut diukur oleh manometer yang diisi dengan fluida dengan massa jenis ρ’ dan manometer menunjukkan bahwa perbedaan ketinggian permukaan fluida di kedua sisi adalah H. Dengan menggunakan persamaan kontinuitas dan Persamaan Bernouli, diperoleh :Menghitung kelajuan cairan dalam pipa memakai venturimeter tanpa manometer Persamaan Bernoulli adalah dan kontinuitas A1.v1 = A2.v2, maka Cairan mengalir pada mendatar maka h1 = h2 sehingga,

P1 – P2 = ½ .ρ.(v22– v12)_____(1)

Maka pada tabung fluida diam, maka tekanan hidrostatisnya : P1 = ρ.g.hA

dan P2 = ρ.g.hB

maka P1 – P2 = ρ.g(hA –hB ) = ρ.g.h —– (2)

dengan Keterangan :

v   :   kelajuan gas, satuan (m/s)

v1 :   kecepatan fluida pada pipa yang besar satuannya (m/s)

h   :   beda tinggi air raksa, satuan (m)

A1 :   luas penampang pipa yang besar satuannya (m2)

A2 :   luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya (m2)

ρ   :   massa jenis gas, satuannya (Kg/m3)

ρ’  :   massa jenis cairan pada manometer satuannya (Kg/m3) 

                     B. Kelebihan dan Kekurangan Venturimeter

                        1. Kelebihan venturimeter

                            o Mempunyai penurunan tekanan yang lebih kecil pada kapasitas yang sama.

                            o Dapat mengukur debit besar.

                            o Jauh dari kemungkinan tersumbat kotoran.

                            o Mengukur cairan yang mengandung endapan padatan (solid).

                       2. Kekurangan venturimeter

                            o Lebih mahal harganya.

                            o Sulit dalam pemasangan karena panjang.

                            o Tidak tersedia pada ukuran pipa dibawah 6 inchi. 

2.2.2. Flow Nozzle 

gambar 2.2.2 : flow nozzle

          Flow Nozzle sama halnya dengan plat orifice yaitu terpasang diantara dua flensa. Flow Nozzle biasa digunakan untuk aliran fluida yang kecil. Karena flow nozzle mempunyai lubang lebih besar dan kehilangan tekanan lebih kecil daripada plat orifice sehinga flow nozzle dipakai untuk fluida kecepatan tinggi pada temperatur tinggi dan untuk penyediaan air ketel. Flow nozzle ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanannya. Sedangkan alat untuk menunjukkan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah berupa manometer.

         Pada flow nozzle kecepatan bertambah dan tekanan semakin berkurang seperti dalam venturi meter. Dan aliran fluida akan keluar secara bebas setelah melewati lubang flow nozzle sama seperti pada plat orifice. Flow nozzle terdiri dari dua bagian utama yang melengkung pada silinder. 

          A. Kelebihan dan kekurangan flow nozzle adalah:

              1. Kelebihan flow nozzle

                  • Masih dapat melewatkan padatan dan Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih bersifat laminer

                  • Kapasitas aliran cukup besar, Tahan terhadap gesekan fluida  dan Mudah dalam pemasangan

                  • Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi

             2. Kekurangan flow nozzle

                 • Sedangkan kelemahannya adalah terbatas untuk pipa ukuran sedang.
 . 

2.2.3. Pitot tubes

gambar 2.2.3.a : pitot tube

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

      

         A. prinsip kerja pitot tubes

gambar 2.2.3.b : prinsip kerja pitot tubes

Prinsip Kerja

Energi kinetik dikonversikan menjadi static pressure head

Cara kerja pitot tube adalah:

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

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

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

o 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). 

              B. Kegunaan Pitot Tube

                   o Mengukur tekanan fluida pada wind tunnel.

                   o Menghitung profil kecepatan aliran pada pipa.

             C. Aplikasi Pitot Tube

                  o Mengukur kecepatan pada pesawat (airspeed).

                  o Altimeter pesawat.

                  o Mengukur tekanan fluida pada wind tunnel (terowongan angin).

             D. Kelebihan dan Kekurangan Pitot Tube

                  1. Kelebihan: dari pitot tube

                      o Susunan sederhana.

                      o Relatif mudah dan murah.

                      o Tidak perlu adanya kalibrasi.

                      o Pressure drop aliran kecil.

                 2. Kekurangan: dari pitot tube

                      o Keakuratanrendah untuk beberapa aplikasi.

                      o Pipa harus lurus dengan kecepatan aliran untuk mendapatkan hasil yang baik.

2.2.4. Flat orifice

gambar 2.2.4 : flat orifice

         Orifice adalah plat berlubang yang disisipkan pada laluan aliran fluida yang diukur, juga merupakan alat primer yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan antara aliran pada up stream dan down stream dari orifice itu sendiri. Orifice merupakan salah satu alat ukur yang digunakan di lapangan geothermal dan umumnya orifice diletakkan sebelum separator. 

              A. prinsip kerja orifice Meter

                   adalah :

                   • Fluida yang diukur alirannya dialirkan melalui plat orifice.

                   • Perbedaan atau selisih tekanan fluida yang melalui orifice antara up stream dan down stream dicatat.

                   • Suhu dan tekanan fluida pada up stream dicatat untuk mengetahui densitasnya. 

             B. Kelebihan dan Kekurangan Orifice Meter

                  1. Kelebihan dari orifice meter:

                      o Konstruksinya sederhana

                      o Rancangannya mudah

                      o Harganya relatif murah

                      o Mudah dikalibrasi

                      o Mudah dirancang/didapat

                      o Tingkat ketelitian cukup baik

               2. Kekurangan dari orifice meter:

                      o Penurunan tekanan sedang-tinggi 

Referensi :

  http://feby23meianwar.blogspot.com/2013/04/laporan-ip.html

  http://herusantoso17.blogspot.com/2012/11/areameter.html