Flow meter merupakan salah satu device penting yang digunakan pada sebuah plant untuk membaca nilai, kebutuhan perhitungan dan pengendalian proses. Flow juga merupakan salah satu tipikal process measurement selain level, temperature dan pressure. Dari tipikal process measurement itu flow menjadi pengukuran yang paling sulit, oleh karena itu sering kali terjadi kesalahan saat pemilihan tipe device dari flowmeter ini.
Teknologi dari pengukuran flow juga sudah banyak mengalami perubahan dan inovasi sehingga saat ini tingkat akurasi dan tingkat keandalan suatu device flow meter semakin tinggi dan semakin baik. Terlebih lagi prinsip dasar pengukuran flow yang baru mulai diperkenalkan dan dasar pengukuran yang sudah ada terus mengalami perberkembangan setiap waktu. Hal ini tidak terlepas dari peran masing-masing perusahaan terkait, untuk meng-upgrade teknologinya dan menginovasi guna memenuhi kebutuhan pasar yang semakin hari semakin kompetitif.
Flow meter dapat diklasifikasi menjadi 4 kategori berdasarkan sensing element / wetted parts-nya. Berikut adalah klasifikasi keempat kategori tersebut:
1. Flowmeter yang memiliki wetted part yang bergerak
Wetted part merupakan bagian dari flowmeter yang berkontak langsung dengan fluida yang diukur. Flowmeter kategori ini menggunakan wetted part yang dapat bergerak dan digunakan hanya pada fluida yang bersih atau clean fluid. Contohnya adalah positive displacement, turbine flowmeter dan variable area flowmeter
2. Flowmeter yang memiliki wetted part yang tidak bergerak
Wetted part yang tidak bergerak memberikan manfaat tersendiri bagi flowmeter ini. Namun, penggunaan yang berlebihan, impulse tube yang tersumbat, dan fluida yang sangat kotor dapat menyebabkan masalah untuk flowmeter kategori ini. Contoh dari kategori ini adalah vortex, differential pressure dan thermal
3. Flowmeter yang tidak terhalang wetted parts
Flowmeter ini memiliki wetted parts yang tidak menghalangi aliran fluida yang diukur sehingga mampu mempertahankan performansinya ketika harus dilewati aliran fluida yang kotor dan abrasif. Contohnya adalah coriolis dan magnetic flowmeter
4. Flowmeter yang sensornya terpasang eksternal
Flowmeter kategori ini tidak menghalangi aliran fluida yang diukur dan tidak memiliki wetted parts karena sensor terpasang di luar pipa. Namun, keterbatasannya membuat flowmeter ini tidak bisa digunakan pada semua aplikasi pengukuran flow.
Flowmeter juga dapat diklasifikasikan ke dalam 4 kategori berdasarkan jenis flow yang diukur, yakni adalah sebagai berikut:
1. Volumetric
Flowmeter yang mengukur besaran volumetric secara langsung. Contohnya adalah positive displacement flowmeter
2. Velocity
Flowmeter ini menentukan total flow dengan mengalikan velocity (kecepatan fluida) dengan area yang dilewati oleh fluida. Contohnya adalah magnetic, turbine dan ultrasonic flowmeter
3. Inferential
Flowmeter ini mengukur flow dengan beberapa sifat fisis fluida seperti differential pressure kemudian secara eksperimental dikorelasikan dengan flow yang mengalir. Contoh dari tipe ini adalah differential pressure, target, dan variable area flowmeter
4. Mass
Flowmeter ini mengukur flow menggunakan massa fluida tersebut secara langsung. Contoh dari mass flowmeter adalah coriolis.
*catatan:
Kedua kategori di atas merupakan kategori-kategori yang umum digunakan dalam proses industri seperti oil & gas, petrochemical, power plant dll. Untuk pemilihan tipe mana yang akan digunakan terdapat banyak parameter yang harus dipertimbangkan ketika mengaplikasikan salah satu tipe flowmeter tersebut. Jika mengabaikan parameter-parameter tersebut, maka yang terjadi adalah hasil pengukuran akan memiliki error yang tinggi atau flowmeter tersebut memiliki jangka waktu pemakaian yang sangat singkat.
Parameter-parameter yang dibutuhkan untuk pengukuran secara common adalah kondisi proses, range pengukuran dan akurasi. Selain itu, pengukuran flow juga harus mempertimbangkan parameter sebagai berikut:
- Tipe dan fase fluida serta keadaan fluida tersebut masuk ke dalam clean fluid atau dirty fluid
- Profil velocity ini berkaitan dengan reynold number dari fluida dan profil aliran fluida apakah laminar atau turbulen.
- Pertimbangan dengan Piping berkaitan dengan kebutuhan akan straight run dan orientasi instalasi dari flow element serta ukuran dari pipa (line size)
Tipe Flowmeter
Tipe-tipe flowmeter yang common digunakan pada proses Industri adalah sebagai berikut:
1. Tipe Differential Pressure (DP)
Flowmeter tipe DP ini memiliki beberapa flow element yakni orifice plate, venturi tube, flow nozzle dan tabung pitot. Prinsip operasi DP Flowmeter ini didasarkan pada persamaan Bernoulli yang menguraikan hubungan antara pressure dan velocity pada suatu aliran fluida.
Prinsipnya adalah fluida akan mengalir ke dalam suatu penghalang aliran yang memiliki lubang dengan diameter yang lebih kecil daripada diameter pipa, sehingga menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan aliran (flow velocity) dan pressure antara sisi upstream dan downstream dari penghalang. Dengan mengukur perubahan tekanan tersebut maka kecepatan aliran dapat dihitung.
Pada DP Flowmeter secara tipikal terdiri dari primary element (wetted parts) seperti orifice plate, venturi, flow nozzle, pitot tube dll. dan secondary element (transmitter). Jenis primary element yang common digunakan adalah orifice plate.
A. Orifice Plate
Orifice plate adalah sebuah plat yang berlubang yang dimasukkan dalam pipa dan ditempatkan tegak lurus terhadap arah aliran fluida. Ketika fluida mengalir melewati orifice plate, karena terjadinya pengurangan diameter dari diameter pipa ke diameter lubang maka terjadilah peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan. Perbedaan tekanan sebelum dan setelah orifice plate digunakan untuk menghitung kecepatan aliran (flow velocity).
Kalkulasi untuk orifice plate menggunakan prinsip persamaan bernoulli yang menyatakan bahwa persamaan energi aliran per satuan volume untuk fluida incompressible adalah:
Dimana:
P = Tekanan
p = massa jenis fluida
g = gravitasi
h = ketinggian fluida
Karena terjadi perbedaan tekanan pada sisi upstream dan downstream dari orifice maka persamaan di atas akan menjadi sebagai berikut:
Q1 = Q2
A1 x V1 = A2 x V2
Dari persamaan Bernoulli dan kontinuitas dapat diturunkan persamaan yang menghubungkan antara debit aliran (Q) dengan beda tekanan statis antara upstream dan downstream (P1-P2).
Untuk fluida incompressible, hubungan antara laju aliran (Q) yang diukur dengan perbedaan tekanan adalah:
dimana:
Q = volumetric flow rate
Cf = flow coefficient
Ao = Luas penampang orifice
DeltaP= Differential pressure
Rho = massa jenis fluida
Flow coefficient (Cf) didapatkan dari eksperimen, Cf ini nantinya akan berkaitan dengan beta ratio atau perbandingan antara Diameter orifice dengan diameter pipa. Untuk proses pengukuran flow secara umum beta ratio ada diantara 0.25 sampai 0.75. Untuk custody transfer beta ratio berada di rentang antara 0.4 sampai 0.6.
Jenis-jenis Orifice Plate
Berdasarkan letak lubangnya orifice dibagi menjadi 3 jenis yakni:
1. Concentric Orifice
Letak lubang dari concentric orifice plate ini berada pas di tengah-tengah orifice. Tipe ini adalah yang paling sering digunakan. Berikut gambar dari concentric orifice.
2. Eccentric Orifice
Letak lubang dari eccentric orifice plate ini berada di bagian atas atau bagian bawah orifice, agar lebih paham aku kasih gambarannya untuk eccentric orifice ini adalah sebagai berikut.
3. Segmental Orifice
Bentuk dan letak lubang dari segmental orifice ini agak berbeda dari concentric dan eccentric, tidak oval/bulat namun seperti bersegmen. Untuk lebih jelasnya berikut adalah gambarannya.
Selain dari bentuk dan letak, kegunaan dari masing-masing orifice ini juga memiliki perbedaan yakni untuk fluida liquid dengan solid yang mengendap segmental orifice lebih cocok untuk digunakan daripada kedua jenis orifice yang lain. Untuk fluida liquid yang memiliki sifat korosif concentric lebih sesuai dibanding kedua jenis orifice yang lain.
Kelebihan dan kekurangan
Setiap instrument pasti memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Pengaplikasian juga tidak serta merta absolut kebenarannya harus dicek kembali faktor-faktor yang sudah aku sebutin tadi di awal. Berikut kelebihan untuk orifice plate sebagai flowmeter:
1. Dapat digunakan pada berbagai ukuran pipa
2. Harga relative lebih murah
3. Accuracy akan baik ketika orifice plate di-install dengan benar
Kekurangan dari orifice plate ini adalah sebagai berikut:
1. Pressure drop tinggi
2. Untuk fluida dengan sifat slurry maka orifice plate tidak direkomendasikan untuk digunakan karena akan cenderung terjadi penyumbatan.
Penentuan Range Pengukuran untuk Orifice Plate
Range pengukuran pada orifice plate ini dapat ditentukan dengan menggunakan process data yang di-provide oleh process. Data proses yang diambil adalah data flowrate/laju aliran fluida yang mengalir menuju ke orifice plate tersebut. Pada process data tersebut flowrate akan dibagi menjadi 3 yakni flowrate minimum, normal dan maximum.
Jika data yang diketahui adalah flowrate normal, maka range pengukurannya berada diantara 1.1 x normal flow dan 1.3 x normal flow. Jika data yang diketahui adalah maximum flow, maka range pengukuran berada di kurang dari 1.3 x maximum flow, dengan catatan proses data pada minimum flow dapat ter-cover oleh range tersebut, berdasarkan turndown ratio-nya. Turndown ratio adalah perbandingan antara maximum flow dengan minimum flow. Turndown ratio berhubungan dengan rangeability atau kemampuan suatu flowmeter dapat membaca range fluida yang diukur secara akurat. Semakin besar turndown ratio nya maka akan semakin lebar juga range yang dapat terbaca dengan akurat oleh flowmeter tersebut, begitu juga sebaliknya semakin kecil turndown ratio-nya maka akan semakin kecil juga range yang dapat terbaca dengan akurat oleh flowmeter tersebut. Untuk Orifice plate ini turndown ratio-nya bermacam-macam namun yang common digunakan adalah 3:1. Angka 1.1 dan 1.3 merupakan angka praktis yang common digunakan untuk penentuan range orifice plate. Oke langsung saja aku kasih contoh perhitungan range pengukuran ini.
Contoh pertama, data yang diperoleh dari process data adalah maximum flow dan minimum flow sebesar 100 m3/h dan 30 m3/h secara berurutan. Untuk menghitung/menentukan range pengukuran:
Max flow = 100 m3/h
min. flow = 30 m3/h
Range = < 1.3 x 100 m3/h
= < 130 m3/h
Kita akan pakai turndown ratio 4:1. Maka kita bagi 130 m3/h dengan 4. Sehingga didapatkan nilai 32.5 m3/h. Jika nilai maximum flow ada pada 130 m3/h maka nilai range minimum akan berada pada 32.5 m3/h, sehingga minimum flow tidak akan ter-cover terhadap range ini, oleh karena itu nilai maximum harus diturunkan hingga nilai minimum flow ter-cover. Dengan nilai range maximum flow 120 m3/h maka nilai range minimum akan berada pada 30 m3/h dan minimum flow pada proses data akan tercover. Sehingga range pengukurannya dapat ditentukan yakni 0 ~ 120 m3/h.
Contoh kedua, data yang diperoleh dari process data adalah normal flow 60 m3/h, minimum flow 30 m3/h. Untuk menentukan range pengukuran:
Normal flow = 60 m3/h
Min. flow = 30 m3/h
Range = 1.1 x 60 m3/h dan 1.3 x 60 m3/h
= 66 m3/h ~ 78 m3/h
Kita akan pakai turndown ratio dari orifice adalah 4:1. Sehingga minimum flow di rentang tersebut masih dapat tercover, sehingga penentuannya adalah dengan memakai angka yang "bagus". "Angka bagus" ini memiliki artian ketika dilakukan testing/maintenance nantinya operator tidak bingung untuk menghitung lagi, dan biasanya testing/maintenance akan menggunakan skala 0%, 25%, 50%, 75% dan 100% sehingga "angka bagus" adalah angka yang hasilnya genap jika dikali dengan rentang-rentang tersebut. Sehingga dapat ditentukan nilainya adalah antara 68 m3/h atau 72 m3/h, tergantung masing-masing engineer-nya. Kalau saya pribadi memilih 72 m3/h. Sehingga range-nya berada di 0 ~ 72 m3/h.
Kemudian ada lagi sebuah rule of thumb dari penentuan range ini, yakni jika ada data maximum flow, meskipun normal flow juga tertera, maka yang dipakai adalah data maximum flow yang perhitungannya sesuai dengan contoh 1. Jika hanya ada normal flow saja atau normal flow dan minimum flow maka perhitungannya sesuai dengan contoh 2.
Untuk penjelasan dp flowmeter ini mungkin cukup sekian, update selanjutnya akan melanjutkan pembahasan flowmeter lainnya di Field Instrument: Flow Measurement (Part 2). Terimakasih telah membaca. Semoga bermanfaat.
0 comments:
Posting Komentar