BAB II PENGUKURAN ALIRAN
II.1. PENGERTIAN PENGUKURAN Pengukuran adalah proses menetapkan standar untuk setiap besaran yang tidak terdefinisi. Standar tersebut dapat berupa barang yang nyata, dengan syarat sifat barang itu tidak berubah ? ubah dalam waktu yang lama, misalnya standar untuk massa adalah silinder yang terbuat dari platinum ? irridium dan di beri nama satu kilogram. Yang perlu diperhatikan dalam melakukan aktifitas pengukuran adalah : 1. Standar yang dipakai harus memiliki ketelitian yang sesuai dengan standar yang dapat di terima oleh umum. 2. Cara pengukuran dan alat yang digunakan harus sesuai persyaratan. Umumnya, dalam melakukan pengukuran di butuhkan alat ukur untuk menentukan besaran. Alat ukur membantu meningkatkan keterampilan manusia dan dalam banyak hal memungkinkan seseorang untuk menentukan nilai besaran yang tidak diketahui. Tanpa bantuan ter sebut manusia tidak dapat menentukannya, dengan demikian sebuah alat ukur dapat di defenisikan sebagai alat yang digunakan untuk menentukan kuantitas dari suatu besaran (variabel).
Dalam pengukuran, digunakan digunakan sejumlah istilah sebagai berikut : - Ketelitian ( Accuracy )
: Harga suatu pembacaan alat ukur yang mendekati
harga sebenarnya dari variabel yang diukur. - Ketepatan( Precision )
: Kemampuan untuk mendapatkan hasil pengukuran
Universitas Sumatera Utara
yang serupa dengan memberikan harga tertentu bagi sebuah variabel. - Kesalahan ( Eror )
: Penyimpangan variabel yang di ukur dari harga
sebenarnya. -Sensitivitas (Sensitivity) : Perbandingan antara sinyal keluaran terhadap perubahan masukan atau variabel yang di ukur. - Resolusi Resolusi (Resolution)
: Perubahan nilai terkecil dalam dalam nilai yang diukur
dimana alat ukur akan memberi respon.
II.2. DASAR PENGUKURAN ALIRAN II.2.1. Tujuan Pengukuran Aliran Pada prinsipnya besaran aliran fluida diukur melalui kecepatannya, berat (massa), volume, serta luas bidang yang dilaluinya. Pengukuran aliran fluida perlu dilakukan untuk : - Mencegah Kerusakan Peralatan. - Mendapatkan Mutu produksi yang diinginkan. - Pengontrolan Jalannya proses.
II.2.2. Metode Pengukuran Aliran Fluida Metoda ? metoda aliran fluida perlu dilakukan untuk mendapatkan data analisa. Pada berbagai proses operasi industri/pembangkit tenaga, misalnya ketelitian pengukuran aliran fluida berhubungan langsung dengan efisiensi. Karena itu, kesalahan kecil saja dapat mengakibatkan kerugian yng besar dalam kurun waktu yang lama. Dalam pengukuran aliran fluida ada banyak cara, mulai Universitas Sumatera Utara
dari elemen perasa (sensor) sehingga penunjukannya dalam berbagai tampilan. Elemen dasar dan sistem yang di gunakan untuk pengukuran aliran banyak sekali ragamnya. Dari ragam tersebut yang dapat digunakan biasanya tergantung pada proses, kemampuan, dan segi harga. Secara garis besar ada 3 metoda Pengukuran Aliran Fluida yaitu : Metoda Positive Displacement Meter, Metoda Khusus, dan Metoda Perbedaan Tekanan. 1. Metoda Positive Displacement Meter Positive Displacement Meter adalah jenis volumetrik yang secara berkelanjutan akan membagi aliran uap menjadi beberapa discreat segmen. Alat ini menjebak fluida (Isolated Volume) yang telah diketahui harganya, kedalam suatu elemen pengukur dan meneruskan volume tersebut dari masukan ke keluaran. Dengan menghitung tiap jebakan fluida akan didapatkan jumlah volume yang telah ditransfer (totalizer). Displacement Meter merupakan alat ukur yang mengukur volume dan bukan mengukur kecepatan aliran fluida. Positive Displacement Meter banyak digunakan untuk pengukuran aliran air, gas alam, dan minyak. Positive Displacement Meter tidak memerlukan catu daya, adapun yang menjadi energi penggeraknya adalah aliran fluida itu sendiri, biasanya penunjukan menjadi satu dengan meter bodinya. Meter jenis ini dirancang dengan menggunakan moving part dengan demikian meter ini cenderung mudah rusak / aus, sehingga diperlukan perawatan yang t eratur. Contoh yang sederhana dari penggunaan Positive Displacement Meter ini adalah meter air rumah tangga seperti yang terlihat pada gambar 2.1, meter ini bekerja dengan prinsip piring angguk (nutating disk). Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Skema meter piring angguk Air masuk pada bagian kiri meter dan menekan piring yang terpasang secara eksentrik agar zat cair dapat mengalir melalui meter itu. Piring tersebut akan mengangguk ? angguk di seputar sumbu vertikal karena bagian atas dan bawah piring selalu melekat dengan ruang piring terpasang. Ruang masuk dan keluar piring itu terpisah oleh dinding sekat. Volume zat cair yang me ngalir melalui meter itu terlihat dari jumlah anggukan piring. Penunjukan aliran volumetrik diberikan melalui suatu susunan roda gigi dan pencatat yang dihubungkan dengan piring angguk. Meter piring angguk dapat digunakan untuk pengukuran aliran dengan ketelitian 1%. 2. Metoda Khusus Piranti pengukuran aliran yang dimaksud dengan metoda khusus ini adalah Turbin Flowmeter, Magnetik Flowmeter, Variable Area Mete r (Rotameter). a. Turbin Flowmeter Turbin Flowmeter merupakan alat ukur yang cukup popular, seperti yang terlihat pada gambar 2.2. Fluida yang mengalir melalui meter ini menyebabkan roda turbin akan berputar, dalam badan roda turbin itu ter dapat magnet permanen Universitas Sumatera Utara yang berputar dengan roda turbin. Sebuah pemungut reluktans (reluctance pickup) yang terpasang pada bagian atas meter mendeteksi setiap putaran roda turbin. Oleh karena itu aliran volumetrik sebanding dengan jumlah putaran roda, maka keluaran pulsa total akan memberikan petunjuk tentang total aliran.
Gambar 2.2. Turbin Meter
b. Magnetik Flowmeter Perhatikan suatu aliran Fluida yang bersifat menghantar melalui medan magnet seperti yang terlihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Aliran Fluida Pengantar melalui Medan Magnet Universitas Sumatera Utara Oleh karena itu fluida dianggap sebagai konduktor yang bergerak di dalam medan magnet, sehingga akan terjadi te gangan induksi sesuai dengan : E = B L v x 10 -8 ???. ( V ) Dimana : B
: Densitas fluk magnet (gauss)
L
: Panjang Konduktor (cm) (cm)
v
: Kecepatan Konduktor (cm/s)
E
: Tengangan Induksi (Volt)
Panjang konduktor sebanding dengan diameter tabung, dan kecepatannya sebanding dengan kecepatan aliran. Tegangan induksi di deteksi dengan dua buah elektroda, dan dapat dianggap sebagai petunjuk langsung mengenai kecepatan aliran. Konstruksi magnetik flowmeter seperti yang terlihat pada gambar 2 .4.
Gambar 2.4. Magnetik Flowmeter Ada dua jenis magnetik flowmeter yang dipergunakan secara komersial, jenis pertama menggunakan pelapis baja yang bersifat tidak menghantar dan di gunakan untuk fluida berkonduktivitas rendah, seperti air. Magnetik flowmeter Universitas Sumatera Utara
jenis kedua adalah digunakan untuk fluida fluida berkonduktivitas tinggi, terutama logam cair. Keluaran meter jenis je nis ini cukup tinggi sehingga dapat digunakan untuk memberikan bacaan langsung. c. Variable Area Meter (Rotameter ) Rotameter merupakan alat ukur aliran yang paling sering digunakan, rotameter merupakan bentuk khusus dari beda tekanan, bedanya adalah apabila beda tekanan yang dihasilkan plat orifice dengan mempertahankan adanya piranti penghalang aliran dan menjadikannya untuk menghasilkan beda tekanan, sedangkan rota meter mengubah harga dari piranti rintangan aliran untuk mempertahankan harga beda tekanan terhadap tambahan kenaikan harga aliran seperti terlihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Skema Rotameter Universitas Sumatera Utara 3. Metoda Pebedaan tekanan Ada beberapa jenis meter aliran yang termasuk dalam kategori pengukuran perbedaan tekanan, alat ukur yang demikian sering disebut Head Flowmeter (head meter), alat ini digunakan sebagai petunjuk t entang laju aliran untuk pengukuran pada sisi sebelum dan sesudah piranti penghalang. Untuk mengukur aliran fluida dalam pipa dengan head flowmeter, maka pada fluida itu di pasang suatu piranti penghalang dengan diameter lubang yang lebih kecil dari diameter pipa sehingga baik tekanan maupun kecepatannya berubah, dengan mengukur beda tekanan antara sebelum dan sesudah piranti penghalang tersebut dapat di tentukan besarnya aliran. Untuk mengukur perbedaan tekanan dapat di pakai pengukur ? pengukur beda tekanan. Bebe rapa
flowmeter di bawah ini merupakan pengukuran aliran jenis head flowmeter y aitu : 1. Plat Orifice. 2. Flow Nozzle. 3. Tabung Venturi.
II.3. JENIS DAN KARAKTERISTIK ALIRAN Hal yang berhubungan dengan jenis dan karesteristik aliran fluida yang di maksud di sini adalah profil dalam dalam wadah tertutup (pipa umumnya). Profil aliran dari fluida yang melalui pipa akan dipengaruhi oleh gaya momentum fluida yang membuat fluida bergerak di dalam pipa, gaya gesek yang m enahan aliran pada dinding pipa dan fluidanya sendiri dan juga dipengaruhi dipengaruhi oleh belokan pipa, katub, dan sebagainya. Jenis aliran fluida terbagi atas 3 bagian yaitu : Universitas Sumatera Utara 1. Aliran Laminer. 2. Aliran Turbulen. 3. Aliran Transisi. Seperti yang terlihat pada gambar 2.6 di bawah ini akan di perlihatkan profil aliran fluida.
Gambar 2.6. Jenis Aliran Fluida Laminer berasal dari bahasa latin ?Thin Plate? yang berarti aliran yang sangat halus. Pada aliran laminer, gesekan relatif besar mempengaruhi kecepatannya. Secara teori, aliran ini berbentuk parabola dengan bagian tengah mempunyai kecepatan yang besar karena bagian yang paling pinggir mempunyai
kecepatan yang paling rendah akibat adanya gesekan. Aliran turbulen merupakan kebalikan dari aliran laminer. Aliran turbulen ini kasar dan tidak menentu, ini yang membuat arus m enjadi lambat, bergelombang pada semua arah dan sering terbentuk pusaran yang kecil. P ada aliran turbulen gaya momentum aliran lebih besar dibandingkan dengan gaya gesekan dan pengaruh dinding pipa kecil. Karenanya aliran turbulen memberikan kecepatan yang lebih seragam di bandingkan aliran laminer, walaupun pada lapisan fluida dekat dinding pipa tetap laminer, pada beberapa tempat aliran turbulen dibutuhkan untuk pencampuran zat. Se dangkan gabungan antara laminer dengan aliran turbulen disebut dengan aliran transisi. Universitas Sumatera Utara Secara empiris bahwa ada 4 faktor yang me nentukan apakah aliran fluida tersebut bersifat laminer atau turbulen, ke em pat faktor tersebut dikenal sebagai bilangan Reynold (R D ). R eD
= vD ? Dimana : R eD : Bilangan Reynold D : Diameter Pipa (m)
v : Kecepatan rata ? rata Aliran (m/ s) ? : Kekentalan Fluida Fluida (Poise) Besarnya bilangan Reynold yang terjadi pada suatu aliran dalam pipa dapat menunjukkan apakah jenis aliran itu turbulen atau aliran laminer. Biasanya angka R eD < 2000 maka aliran itu jenis aliran laminer, dan bila angka R eD > 2000 maka aliran itu jenis turbulen. Antara ke dua nilai tersebut aliran tidak stabil dan dapat berubah dari turbulen menjadi laminer dan sebaliknya. Dalam pengukuran aliran dengan menggunakan metode head flowmeter aliran yang diharapkan dalam keadaan turbulen.
II.4. UAP AIR Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila mengalami pemanasan sampai temperatur didih di bawah tekanan tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap air tidak mengikuti hukum ? hukum gas sempurna, sampai uap air tersebut benar ? benar kering (kadar uap 100 %). Bila uap kering di panaskan panaskan lebuh lanjut maka di anggap sebagai gas sempurna. Uap air te rbentuk dalam 3 jenis, yaitu : Uap Universitas Sumatera Utara saturasi basah (kadar Air < 1), Uap saturasi kering (kadar Uap = 1) yang di gunakan pada head flowmeter flowmeter karena uap ini tidak mengandung air lagi, lagi, dan uap panas (kadar uap = 1).
II.4.1. Diagram Enthalpi ? Entrhopi (Diagram H-S) Diagram H-S diciptakan oleh Mollier yang terlihat pada gambar 2.7. Pada diagram Mollier ini garis ordinat menunjukkan skala enthalpi sedangkan garis absis menunjukkan skala entrophi.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7. Diagram Mollier
Universitas Sumatera Utara II.5. DASAR PENGUKURAN FLOWMETER Pengukuran aliran sangat penting dalam proses produksi. Alat untuk mengukur aliran tersebut disebut dengan flowmeter. Alat ini berfungsi untuk menentukan berapa jumlah fluida yang dibutuhkan dalam proses continiu dan bagaimana suatu fluida di distribusikan, metode pengukuran aliran dari fluida yang berbeda jenisnya dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian besar yaitu : 1. Metode pengukuran langsung dari volume cairan dengan suatu tangki yang diketahui kapasitasnya. 2. Metode pengukuran tidak langsung oleh aksi pengukuran yang diakibatkan oleh aliran energi, misalnya perputaran turbin atau membuat selisih tekanan.
Contoh dari pengukuran metode langsung adalah flowmeter volumetrik. Flowmeter tersebut memberi ketelitian yang lebih tinggi, karena pengukuran tidak dipengaruhi oleh densitas, viskositas dan sifat ? sifat fisik lainnya dari fluida yang di ukur. Namun flowmeter jenis tersebut jarang digunakan di dalam Industri, karena sangat sulit untuk di operasikan. Contoh pengukuran metode tidak langsung adalah head flowmeter, yang mana menggunakan teorema Bernoulli, yaitu ada hubungan antara kecepatan aliran dengan tekanan static ( static pressure ), flowmeter model kawat panas (hot wire), bila sebuah kawat panas di tempatkan di dalam aliran maka akan di dinginkan oleh fluida tersebut, flowmeter magnetik menggunakan Hukum Induksi Faraday dan lain ? lain.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8. Grafik ketelitian (%) Vs Range Flow (%) untuk masing ? masing model Flowmeter Yang dimaksud dengan 0% - 100 % pada persen flow range di atas merupakan batas pengukuran tekanan di dalam pengukuran aliran. Misalnya tekanan yang di ukur adalah 0 ? 3000 mmH 2 O maka dapat diketahui tekanan untuk 0% = 0, 10% = 300, 25 % = 750, 50 % = 1500, 75 % = 2250, dan 100% = 3000 mmH 2
O. Dilihat dari segi ketelitian, maka metode pengukuran langsung lebih teliti di bandingkan dengan metode tidak langsung. Namun flowmeter tidak langsung mempunyai suatu keuntungan besar, karena aliran yang di ukur di ubah menjadi sinyal listrik, sehingga flowmeter tidak langsung sesuai untuk memonitoring dan pengendali proses dalam industri. Pembagian model ? model flowmeter yang di berikan di atas memiliki ketelitian dan keuntungan tersendiri. Namun flowmeter yang paling banyak di gunakan dalam proses industri adalah head flowmeter, Universitas Sumatera Utara karena flowmeter ini memiliki keuntungan yang lebih besar di bandingkan dengan yang lain. Dalam mengukur aliran dengan head flowmeter di dalam pipa di pasang suatu piranti penghalang, piranti penghalang ini dapat berupa tabung venturi, plat orifice, atau flow nozzle. Plat orifice mudah di produksi dan di pasang, di samping harganya juga lebih murah, sedangkan tabung venturi atau aliran nozzle pemasangannya lebih susah dan harganya mahal dan konstruksinya lebih rumit. Head Flowmeter ini terdiri dari piranti penghalang, dan dapat di hubungkan dengan meter differensial pressure, transmitter differensial pressure dan penerima. Flowmeter ini digunakan untuk aliran yang stabil. Aliran rata- rata dari suatu fluida di dalam pipa berhubungan dengan perbedaan tekanan antara piranti penghalang di dalam pipa. Fluida yang di alirkan melalui suatu luasan yang diperkecil akan menyebabkan menyebabkan tekanan pada sisi sebelum plat orifice (upstream) lebih besar dari pada tekanan di bagian sisi setelah plat orifice (downstream).
II.6. PENGUKURAN ALIRAN STEAM Dalam proses industri pengukuran aliran steam mempunyai peranan yang sangat penting. Pengukuran aliran dapat dilakukan antara lain : 1. Untuk mengetahui banyaknya steam yang di perlukan pada saat proses berlangsung. 2. Untuk mengetahui laju aliran dalam satuan waktu.
Universitas Sumatera Utara Faktor ? faktor yang mempengaruhi dan perlu diperhitungkan dalam memilih pengukuran aliran antara lain : 1. Alat ukur yang di pakai hanya baik bila di pakai pakai untuk zat cair saja. 2. Alat ukur yang hanya bisa di pakai untuk uap dan gas. 3. Alat ukur yang bisa di pakai untuk ketiga ? tiganya.
KETEL UAP Ketel uap adalah suatu bahan yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap (steam) dengan sejumlah panas yang diberikan diberikan kepada ketel yang didapat dari hasil pembakaran bahan bakar, panas tersebut akan dialirkan melalui bidang-bidang pemanas. Fluida kerja yang digunakan adalah air, sehingga air yang ada pada pipapipa tersebut akan mendapatkan panas karena air yang ada pada ketel uap tersebut akan mengalami perubahan fasa, yaitu dari fasa cair menj adi fasa uap dan uap tersebut akan diproses lagi menjadi uap kering agar sesuai yang diinginkan dan dapat digunakan untuk turbin.
Pada umumnya ketel uap terdiri atas beberapa komponen ? komponen utama yaitu : - Dapur (Furnace) yaitu sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas. - Alat penguap (Evaporator) yaitu yang mengubah energi pembakaran (Energi panas) menjadi energi potensial. Universitas Sumatera Utara Kedua komponen tersebut diatas telah dapat memungkinkan sebuah ketel uap untuk dapat berfungsi, sedangkan komponen ? komponen yang dipakai untuk meningkatkan efisiensi ketel uap adalah sebagai berikut : 1. Alat Pemanas Udara (Air Heater) 2. Alat Pemanas Mula (Dearator) 3. Alat Pemanas Lanjut (Super Heater) 4. Alat Pemanas Air Pengisi Ketel (Economizer) 5. Alat Pengaman (Apendasi) 6. Cerobong Asap (Chimney) Ketel uap yang berbahan bakar berupa minyak tanah sangat penting dikontrol/dikendalikan, dikarenakan besar tekanan bahan bakar dan tekanan pembakaran bahan bakar dapat termanfaatkan. te rmanfaatkan. Pemanfaatan bahan bakar yang digunakan dapat semaksimal mungkin dan bahan bakar yang terbuang akibat pembakaran awal dapat dikurangi. Sumber panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar ini terjadi karena terdapat tiga faktor penting, yaitu : 1. Adanya supply oksigen 2. Bahan yang mudah terbakar 3. Energi panas atau pengapian
Perpindahan panas dalam dapur ketel tergantung pada : 1. Massa bahan bakar 2. Massa gas asap yang mengalir 3. Temperatur Universitas Sumatera Utara 22 Pengontrolan pembakaran bahan bakar ini adalah jumlah udara yang dibutuhkan bahan bakar untuk proses pembakaran, jumlah kelebihan udara bahan bakar dan kehilangan panas yang disebabkan oleh pembakaran yang tidak sempurna dari bahan bakar. Untuk menghasilkan uap yang sesuai dengan kapasitas yang dihasilkan diperlukan pengontrolan tekanan pembakaran bahan bakar sehingga terpakai semaksimal mungkin. Untuk mengontrol tekanan pembakaran ini sangatlah penting yaitu pada pengontrolan bahan bakar, pengontrolan tekanan udara (oksigen) dan pengontrolan energi panas atau pengapian. Berdasarkan uraian diatas maka perlu dilakukan pengontrolan operasi agar berlangsung pada kondisi yang diinginkan sehingga uap yang dihasilkan akan sesuai dengan yang dibutuhkan.
Universitas Sumatera Utara
