ultrasonic

Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor )

            Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik.

Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan sebagai berikut:

1.     Pengukuran kuantitas

Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui kapasitasnya.

Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut :

a.       Pengukur gravimetri atau pengukuran berat

b.      Pengukur volumetri untuk cairan

c.       Pengukur volumetri untuk gas

2.     Pengukuran laju aliran

Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V  dari cairan yang mengalir lewat pipa, yakni:

                        Q = A.V

tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut:

                        Q = K.A.V

di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstanta ini bisa didapatkan melalui eksperimen.

Pengukuran laju aliran digunakan untuk mengukur kecepatan cairan atau gas yang mengalir melalui pipa. Pengukuran ini dikelompokkan lagi menurut jenis bahan yang diukur, cairan atau gas, dan menurut sifat-sifat elemen primer sebagai berikut:

a.       Pengukuran laju aliran untuk cairan:

1)        jenis baling-baling defleksi

2)        jenis baling-baling rotasi

3)        jenis baling-baling heliks

4)        jenis turbin

5)        pengukur kombinasi

6)        pengukur aliran magnetis

7)        pengukur aliran ultrasonic

8)        pengukur aliran kisaran (vorteks)           

9)        pengukur pusaran (swirl)

b.      Pengukuran laju aliran gas

1)        jenis baling-baling defleksi

2)        jenis baling-baling rotasi

3)        jenis termal

3.     Pengukuran metoda diferensial tekanan

Jenis pengukur aliran yang paling luas digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial. Pada prinsipnya beda luas penampang melintang dari aliran dikurangi dengan yang mengakibatkan naiknya kecepatan, sehingga menaikan pula energi gerakan atau energi kinetis. Karena energi tidak bisa diciptakan atau dihilangkan ( Hukum perpindahan energi ), maka kenaikan energi kinetis ini diperoleh dari energi tekanan yang berubah..

Lebih jelasnya, apabila fluida bergerak melewati penghantar (pipa) yang seragam dengan kecepatan rendah, maka gerakan partikel masing-masing umumnya sejajar disepanjang garis dinding pipa. Kalau laju aliran meningkat, titik puncak dicapai apabila gerakan partikel menjadi lebih acak dan kompleks.

Kecepatan kira-kira di mana perubahan ini terjadi dinamakan kecepatan kritis dan aliran pada tingkat kelajuan yang lebih tinggi dinamakan turbulen dan pada tingkat kelajuan lebih rendah dinamakan laminer.

Kecepatan kritis dinamakan  juga angka Reynold, dituliskan tanpa dimensi:

      di mana :   D = dimensi penampang arus fluida, biasanya diameter

 ρ = kerapatan fluida

                        V = kecepatan fluida

                         μ = kecepatan absolut fluida

Batas kecepatan kritisuntuk pipa biasanya berada diantara 2000 dan 2300.

            Pengukuran aliran metoda ini dapat dilakukan dengan banyak cara misalnya: menggunakan pipa venturi, pipa pitot, orifice plat (lubang sempit), turbine flow meter, rotameter, cara thermal, menggunakan bahan radio aktif, elektromagnetik, ultar sonic dan flowmeter gyro. Cara lain dapat dikembangkan sendiri sesuai dengan kebutuhan proses. Yang dibahas dalam buku ini adalah sensor laju aliran berdasarkan perbedaan tekanan.

1. Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan

            Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

           

dimana:  P  = tekanan fluida

               ρ  = masa jenis fluida

               v  = kecepatan fulida

               g  = gravitasi bumi

               h  = tinggi fluida (elevasi)

            Jika h₁ dan h₂ dibuat sama tingginnya

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:   , di mana : 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.

Kelompok sensor aliran:

A. Pressure based flow sensors

               B. Turbine flow sensors

               C. Jenis khusus

4. Flowmeter Ultrasonic

            Flowmeter ini menggunakan Azas Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa, untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic

            Flow meter dengan Efek Doppler ini memenpaatkan perubahan frekuensi, dengan rumus:

            Pemisahan frekuensi pancar denga frekuensi terima dilakukan dengan heterodyne, mendapatkan HPF untuk mendapatkan sinyal AC saja

Jenis pengukuran flow,level air menggunakan sensor ultrasonik

1.  Menggunakan sensor ultrasonik untuk mengukur water level. Sinyal yang dipindahkan 

berdasarkan kecepatan suara, waktu pengiriman dan penerimaan diukur dari jarak jangkauan kepermukaan yang dituju. Jarak yang diukur berkisar antara 0,5 m – 10 m, dan pengukurannya mengikuti perumusan berikut : 

            d = 0,5 v.t

d = jarak kepermukaan obyek

v = kecepatan suara (331,5 m/detik)

t =  Total waktu (berangkat dan kembali)

2. Sensor ultrasonik sebagai flowmeter. 

Pada Ultrasonic flowmeter Transmisi dari gelombang yang melewati sensor secara tidak langsung berhubungan dengan fluida dinamakan non contact type. Bisa juga terjadi salah konsepsi atau penyederhanaan pada waktu transit flowmeter. Beberapa informasi mengklasifikasikan type yang baru sebagai “phase shift ” dan dibandingkan dengan type lama dilihat pada starting meter menggunakan “transit time “ dan yang lainnya menggunakan “Correlation transit time “. Sekarang dibuat kombinasi antara kedua transit tadi dengan technology ultrasound, hal ini memungkinkan untuk mengetahui secara tepat seberapa banyak fungsi dan kalkulasi dari tehnik yang actual.