A. PENGERTIAN
Pada masa sekarang ini, perkembangan industri dan teknologi
berkembang dengan sangat pesat, tidak terkecuali pada bidang
pengukuran, termasuk pengukuran laju aliran fluida dalam pipa. Salah
satu dari berbagai macam metode pengukuran aliran fluida dalam pipa
adalah dengan menggunakan Orifice Plate.
Laju aliran fluida dalam sebuah pipa penting untuk diketahui,
khusus pada industri-industri yang memanfaatkan pipa sebagai media
penyalur fluida, sebab dapat mempengaruhi biaya dan proses produksi
dari industri-industri tersebut. Pada sebuh plan pembangkit tenaga uap
misalnya, aliran fluida, dalam hal ini uap (steam), laju aliran massa
atau volum steam sangat penting untuk diketahui, agar jumlah uap yang
menumbuk turbin dapat diketahui, sehingga dapat diperkirakan jumlah
energi yang seharusnya dihasilkan oleh plan tersebut, dan berguna
untuk menghitung kerugian-kerugian pada aliran uap dalam pipa,
sehingga dapat dirancang susunan pipa yang menghasilkan kerugian
paling sedikit.
Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju
aliran volum atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa)
berdasarkan prinsip beda tekanan. Alat ini berupa plat tipis dengan gagang
yang diapit diantara flens pipa. Fungsi dari gagang orifice adalah untuk
memudahkan dalam proses pemasangan dan penggantian. Orifice termasuk alat
ukur laju aliran dengan metode rintangan aliran (Obstruction Device).
Karena geometrinya sederhana, biayanya rendah dan mudah dipasang atau
diganti. Gambar 4.1 menunjukkan geometri orifice yang umum digunakan.
" " "
Gambar 2.1 Geometri Orifice plate secara umum
Selain menggunakan orifice, untuk mengukur laju aliran dengan metode
rintangan aliran dapat juga menggunakan nozel dan venturi. Kelebihan dan
kekurangan dari ketiga alat ukur laju aliran tersebut dapat diliha pada
Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Beberapa Jenis Alat Ukur Laju
Aliran
"Alat ukur"Kelebihan "Kekurangan "
"Orifice "Mudah dalam pemasangan "Head loss tinggi "
" "Biayanya rendah "Akurasi tergantung pada"
" "Mudah dalam penggantian "kondisi instalasi dan "
" " "kondisi orifice "
"Venturi "Head loss rendah "Biaya awalnya besar "
" "Kapasitas aliran lebih besar dari " "
" "orifice pada beda tekanan yang sama " "
" "Akurasi tidak tergantung pada " "
" "pemakaian dan kondisi instalasi " "
"Nozel "Head loss rendah "Sulit dalam penggantian"
" "Kapasitas aliran lebih besar dari " "
" "orifice pada beda tekanan yang sama " "
" "Akurasi tidak tergantung pada " "
" "pemakaian dan kondisi instalasi " "
" "Baik untuk temperature dan kecepatan" "
" "tinggi " "
B. PRINSIP KERJA
1. Prinsip dan Persamaan Dasar
Orifice merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip
beda tekanan atau disebut juga Bernoulli's principle yang mengatakan
bahwa terdapat hubungan antara tekanan fluida dan kecepatan fuida. Jika
kecepatan meningkat, tekanan akan menurun begitu pula sebaliknya.
Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian
tertentu (umumnya di tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika
sampai pada orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal
itu menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana
terjadi kecepatan maksimum dan tekanan minimum disebut vena contracta.
Setelah melewati vena contracta kecepatan dan tekanan akan mengalami
perubahan lagi. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan
tekanan pada vena contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa
dapat diperoleh dengan persamaan Bernoulli. Skema prinsip kerja orifice
dapat dilihat pada Gambar 4.9.
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Orifice
Keterangan :
P1 = tekanan upstream
P2 = tekanan downstream (pada vena contracta)
P3 = tekanan setelah terjadi pemulihan (setelah melewati vena
contracta)
D = diameter dalam pipa
d = diameter orifice
a. Persamaan Bernoulli
Karena aliran steam pada pipa horisontal maka h1 = h2, sehingga,
Misalkan,
maka,
b. Persamaan Kontinuitas
Subtitusi pesamaan (2) ke persamaan (1),
c. Menghitung laju aliran volume
Substitusi persamaan (3) ke (4), maka,
Untuk meyederhanakan maka dibagi dengan , sehingga laju aliran
volume menjadi,
Substitusikan ke persamaan (5)sehingga menjadi,
2. Aliran Inkompresibel Melewati Orifice
Persamaan (6) merupakan persamaan untuk menghitung laju aliran
volume secara teoritik dimana aliran dianggap laminar sempurna dan
inviscid (viskositasnya nol). Akan tetapi dalam kondisi nyata akan muncul
pengaruh viskositas dan turbulensi. Untuk menghitung pengaruh dari kedua
faktor tersebut maka diperkenalkan coefficient of discharge Cd.
Untuk aliran yang melewati orifice, nilai dari Cd tergantung pada
bilangan Reynolds (Re) dan rasio diameter orifice dan diameter dalam dari
pipa (β).
Bilangan Reynolds (Re) dirumuskan sebagai berikut,
Nilai Cd dapat diperoleh dengan persamaan,
Persamaan tersebut dapat digambarkan alam bentuk grafik pada Gambar
2.10.
Gambar 2.10 Diagram Coefficient of Discharge (Cd)
Untuk bilangan Reynold yang besar nilai Cd standar yang sering
dipakai adalah 0.6. Akan tetapi, untuk bilangan Reynold kecil perubahan
nilai Cd cukup signifikan.
Dengan memperhitungkan coefficient of discharge maka persamaan (6)
akan menjadi,
Dengan maka persamaan menjadi,
Diketahui bahwa rasio diameter persamaan menjadi,
merupakan velocity of approach factor. Coefficient of
discharge dan velocity of approach factor sering dikombinasikan ke dalam
satu koefisien yang disebut flow coefficient K.
Nilai K juga dapat diperoleh dari grafik pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Diagram Koefisien Orifice (K)
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa untuk bilangan Reynold Re >
105 nilai K tidak mengalami perubahan yang signifikan (dinggap konstan).
Akan tetapi, untuk bilangan Reynold kecil terjadi perubahan nilai K yang
besar.
Dengan memasukkan persamaan (8) ke persamaan (7), maka persamaan
untuk mencari laju aliran volume dapat disedehanakan menjadi,
Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa adalah sebagai berikut,
Dengan substitusi persamaan (7) ke persamaan (10) maka laju aliran
massa menjadi,
Atau dengan substitusi persamaan (9) ke persamaan (10) maka laju
aliran massa menjadi,
3. Aliran Kompresibel Melewati Orifice
Persamaan (7), (9), (11), dan (12) merupakan persamaan untuk
menghitung laju aliran inkompresibel yang melewati orifice. Sedangkan
untuk aliran kompresibel ada faktor lain yang berpengaruh yaitu faktor
kompresibilitas yang dilambangankan dengan Y. Faktor kompresibilitas ini
muncul karena adanya perubahan densitas fluida.
Persamaan untuk faktor kompresibilitas adalah,
Untuk aliran kompresibel yang melewati orifice laju aliran volumenya
menjadi,
Atau,
Sedangkan untuk persamaan laju aliran massanya menjadi,
Atau,
Keterangan :
= Laju aliran Volume ( m3/s)
= Laju aliran massa (Kg/s)
P1 = tekanan upstream (Bar,Pa)
P2 = tekanan downstream (pada vena contracta) (Bar,Pa)
ΔP = Beda Tekanan (N/ m2)
d = Diameter Orifice (m)
D = Diameter dalam Pipa (m)
a0 = Luas Penampang orifice (m2)
a1 = Luas penampang pipa (m2)
ρ = massa jenis (Kg/ m3)
K = Flow Coefficient
Cd = Coefficient of Discharge
v = kecepatan fluida (m/s)
μ = viskositas fluida (kg/ms)
Y = faktor kompresibilitas
χ = isentropic coefficient (untuk gas ideal=1.4)
4. Permanent Pressure Loss
Pemasangan orifice akan menimbulkan terjadinya tekanan yang hilang
secara permanen ( permanent pressure loss ). Besarnya permanen pressure
loss dipengaruhi oleh rasio diameter orifice terhadap dimeter dalam pipa
(β). Dari grafik pada Gambar 2.12 dapat diketahui besarnya permanent
pressure loss.
Gambar 2.12 Permanent Pressure Loss
Dari grafik di atas dapat dilihat besarnya permanent pressure loss
dalam % beda tekanan ( P) untuk beberapa nilai β.
C. PERANGKAT ALAT UKUR ORIFICE FLOW METER
Adapun perangkat alat ukur orifice flow meter terdiri dari:
Plat orifice dengan diameter tertentu.
Sepasang lubang / titik, sebuah di up stream dan sebuah lagi di down
stream aliran .
Manometer dan thermometer.
1. Plat Orifice
Plat orifice merupakan bagian dari alat orifice meter yang berfungsi
mengalirkan fluida yang akan diukur harga mass flownya. Plat orifice hanya
dapat dipakai untuk menentukan aliran fluida dalam pipa berdiameter tidak
kurang dari satu inchi. Plat orifice ada 3 jenis sesuai dengan fungsinya,
yaitu:
a. Square edge: untuk menakar aliran uap atau air.
b. Conical Entrance: untuk mengukur fluida kental (minyak).
c. Quarter Circle: untuk mengukur fluida kental.
2. Lubang Tekanan
Lubang tekanan atau titik tekanan yang sering disebut juga pressure
tapping (PT), letaknya tidak sembarang. Lubang pengambilan beda tekanan
biasanya ditempatkan dalam bidang horizontal dari garis disambung dengan
condensing terjadi pada alat ukur sekunder. Dikenal 3 posisi pressure
tapping, yaitu:
a. Corner Tapping, jenis ini akan menghasilkan perbedaan tekanan
yang terkecil dari ketiga jenis ini.
b. Dinamo dan D/2 Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan
yang besar.
c. Flange Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan
diantara kedua jenis tapping pressure di atas.
3. Manometer dan Thermometer
Manometer diperluan untuk mengetahui tekanan fluida pada up stream
dalam menentukan densitas fluida tersebut. Metode yang diperlukan dalam
mengukur dan menunjukan besaran tekanan adalah tekanan atau gaya per satuan
luas bidang, terlebih dahulu diubah kedalam bentuk gerakan mekanik,
kemudian gerak ini dikalibrasikan kedalam skala angka. Manometer ini
diletakkan setelah separator (pada liquit dominated reservoir), sebelum
orifice meter. Disamping itu diperlukan pula sebuah manometer Hg (air
raksa) untuk mengetahui selisih tekanan fluida diantara dua sisi plat
orifice.
Temperatur pada pressure tapping up stream perlu diketahui dalam
kaitannya untuk mengetahui densitas dan untuk koreksi plat orifice dan
diameter pipa karena adanya ekspansi panas. Prinsip pengukuran dari
thermometer ada dua, yaitu dengan metode pemuaian dan metode elektris.
Dalam metode pemuiaian yang diukur menghasilkan pemuaian. Pemuaian diubah
kedalam bentuk – bentuk gerak mekanik, kemudian dikalibrasikan kedalam
angka – angka skala yang menunjukkan nilai panas yang diukur. Sedangkan
metode elektris, panas yang diukur menghasilkan gaya gerak listrik. Gaya
gerak listrik kemudian dikalibrasikan kedalam skala angka – angka yang
menunjukkan nilai panas yang diukur. Dari kedua metode tersebut, yang
umumnya digunakan di lapangan geothermal adalah metode pemuaian, tetapi
thermometer tidak dipasang tepat pada up stream pressure tapping, karena
dapat mengganggu sifat aliran fluida yang masuk atau melalui orifice, oleh
karena itu thermometer harus ditempatan di up stream pada jarak minimal 25
kali diameter pipa dari plat orifice.
D. JENIS ORIFICE PLATE
Untuk melayani berbagai jenis aliran dan beraneka ragam fluida, maka
terdapat beberapa jenis orifice plate, yaitu:
1. Concentric Orifice
Concentric Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak
digunakan. Profil lubang orifice ini mempuyai takik (bevel) dengan
kemiringan 45° pada tepi bagian downstream(lihat gambar di bawah). Hal
ini akan mengurangi jarak tempuh dari aliran tersebut mengalami perbedaan
tekanan melintang. Setelah aliran melewati orifice akan terjadi penurunan
tekanan dan kemudian mencoba kembali ke tekanan semula tetapi terjadi
sedikit tekanan yang hilang permanen (permanent pressure loss) sehingga
perbedaan tekanan upstream dan downstream tidak terlalu besar.
Perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa dilambangkan dengan
"β". Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai β yaitu antara 0.2-
0.7 karena akurasinya akan berkurang untuk nilai diluar batas tersebut.
Gambar 2.2 Standard concentric orifice
2. Counter Bore Orifice
Counter bore orifice pada prinsipnya sama dengan concentric Orifice.
Perbedaanya terdapat pada profil lubangnya, orifice ini tidak mempuyai
takik (bevel) tapi diameter lubangya lebih besar pada bagian downstream
daripada diameter lubang pada bagian upstream (lihat gambar di bawah).
Gambar 2.3 Counter bored orifice
3. Eccentric Orifice
Eccentric orifice mempunyai profil lubang yang sama dengan
concentric orifice. Akan tetapi, pada eccentric orifice lubang tidak
terletak tepat di tengah. Diameter takik (bevel) bagian bawah hampir
lurus (98%) dengan diameter dalam dari pipa (lihat gambar di bawah).
Gambar 2.4 Eccentric orifice
4. Quadrant Bore Orifice
Quadrant bore orifice digunakan untuk mengukur aliran fluida dengan
viscositas tinggi dan direkomendasikan untuk bilangan Reynold di bawah
10000. Profil dari lubang Quadrant bore orifice dapat dilihat pada gambar
di bawah. Radius "R" merupakan fungsi dari β. Ketebalan orifice sebanding
dengan kuadran radius "R".
Gambar 2.5 Quadrant bore orifice
5. Segmental Orifice
Segmental orifice didesain untuk fluida dengan kandungan sedimen
yang tinggi. Profil dari lubang segmental orifice dapat dilihat pada
gambar di bawah. Diameter "D" bagian bawah hampir lurus (98%) dengan
diameter dalam dari pipa. "H" merupakan tinggi dari lingkaran lubang.
Rasio β merupakan diameter lubang "D" dibagi dengan diameter dalam dari
pipa. Segmental orifice merupakan jenis orifice yang paling sulit dalam
proses manufaktur,diperlukan proses finishing secara manual.
Gambar 2.6 Segmental orifice
6. Restriction Orifice
Tujuan dari instalasi Restriction orifice adalah untuk menghasilkan
presure drop yang besar. Restriction orifice biasanya ditunjukkan dengan
"RO" atau "FO". Restriction orifice dapat menghasilkan pressure drop
sampai 50 % untuk fluida gas. Profil lubang Restriction orifice berbeda
dengan orifice yang lain (lihat gambar di bawah). Profil lubangnya lurus
sehingga tekanan yang hilang secara pemanen cukup besar akibatnya
perbedaan tekanan upstream dan tekanan downstream cukup mencolok.
Gambar 2.7 Restriction orifice
Profil tekanan suatu fluida yang melewati orifice flowmeter dan
restriction orifice dapat dilihat pada gambar di bawah ini,
Gambar 2.8 Perbandingan Pressure loss orifice flowmeter dan restriction
Dari gambar di atas tampak bahwa terjadi pressure loss yang lebih
besar pada restriction orifice dibandingkan dengan orifice flowmeter.
-----------------------
Pipa
Orifice
P3
P1
P2
Vena contracta
D
d
1
2
3
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
""V"X"""€-€;€O€7 9 X Ô Ö -ƒ¦ƒ§ƒððåϼϼ¢¢"¢¢"Žgd-
$ Å[?]dh` Å[?]a$gd¥4È$dha$gd¥4È
$ -dh^ -
a$gd¥4È$ Ð[?]dh^ ` Ð[?]a$gd¥4È$&
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
