02 Dasar-Dasar Instrumentasi Proses - ydhermawan's blog

DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES

02

Tujuan: Mempelajari dasar-dasar instrumentasi proses yang menunjang kelangsungan sistem pengendalian proses Materi: 1. 2. 3. 4. 5.

Karakteristik Pengukuran (Measurement Characteristics) Pengukuran Suhu (Temperature Measurement) Pengukuran Tekanan (Pressure Measurement) Pengukuran Volume/Level (Level Measurement) Pengukuran Laju Aliran (Flow Measurement)

2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 1

2.1 Karakteristik Pengukuran Tujuan dasar instrumentasi proses untuk mendapatkan informasi penting (P, V, T, F, C) yang berkaitan dengan kelangsungan proses

Pengukuran (Measurement) Suatu perbandingan sebuah kuantitas yang tidak diketahui nilainya dengan suatu nilai standar (dalam satuan tertentu)


INDALPRO / 2

2.1 Karakteristik Pengukuran

Measuring: Mengukur nilai variabel proses

Instrument

Indicating: Menujukkan nilai variabel proses

Recording: Mencatat nilai variabel proses


INDALPRO / 3


Elemen-Elemen Pengukuran

Measured Medium

Measured Quantity

Observer

Primary Sensing Element

Presented data

Variable Conversion Element

Variable Manipulation Element

Data Presentation Element

Data Transmission Element

Gambar 2.1.1. Elemen-elemen fungsional dari sistem instrumen


INDALPRO / 4


PSE menerima energi dari media yang diukur dan menghasilkan output yang besarnya tergantung dari kuantitas yang diukur. VCE mengubah/mengkonversi output PSE menjadi variabel fisik, seperti tegangan (voltage), jarak perpindahan (displacement) VME memanipulasi sinyal var. fisik untuk menghasilkan sinyal instrumen yang diinginkan. DTE mengirim (transmit) data dari elemen satu ke elemen lain. DPE menunjukkan hasil pengukuran pointer yang bergerak di sepanjang skala ukur catatan pena pada sebuah kertas)


INDALPRO / 5


Gambar 2.1.2. Filled system thermometer

Gear mechanism

Pointer Spiral bourdon tube Scale

Capillary tube

Temperature bulb (liquid or gas) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 6


Gambar 2.1.3. Elemen-elemen fungsional dari sistem termometer Temperature tube

Fluid

Measured Medium

Primary Sensing Element


Scale and Pointer

Linkage Gear

Measured Quantity

Presented data

Data Presentation Element

Motion


Variable Manipulation Element

Pressure

Data Transmission Element

Spiral Bourdon Tube

Motion

Pressure

Observer

Temp.

Tubing


INDALPRO / 7


Karakteristik Kinerja Instrumen

Kar. Statis:

Calibration Accuracy Precision Reproducibility Drift Sensitivity Resolution Kar. Dinamis: Dead Zone Backlash True Value Static Error Mistake Systematic error Random Error Source of Error


Speed of Response Fidelity Lag Dynamic Error Zero-Order Instrument First-Order Instrument Second-Order Instrument

INDALPRO / 8


Kalibrasi (calibration) Penentuan nilai ukur dalam suatu skala bacaaan; biasanya menghasilkan output: voltage, current, frequency, pressure, flow.

Langkah-langkah penting dalam kalibrasi: 1. Uji konstruksi instrumen dan tentukan semua input yang mungkin 2. Tentukan input yang akan diterapkan untuk kalibrasi instrumen 3. Siapkan peralatan yang mengijinkan semua input bervariasi di dalam rentang (range) yang diperlukan 4. Dengan menjaga beberapa input konstan, variasikan input lain, catat outputnya, susun hubungan (persamaan) input-output


INDALPRO / 9


Akurasi (accuracy) Kemampuan suatu alat atau sistem untuk menanggapi nilai nyata variabel yang diukur di bawah kondisi reference. Dalam praktiknya, akurasi dinyatakan dalam batas error (limit of error) dari alat ukur atau sistem di bawah kondisi operasi tertentu yang mungkin sudah/belum ditentukan.

Presisi (precision) Derajat kebenaran (degree of exactness) dari sebuah istrumen Contoh: sebuah resistor mempunyai nilai tahanan (nyata) 1592154 Ω Jika diukur dengan multimeter, terbaca 1,5 MΩ. Pengamat tidak dapat membaca nilai yang sesungguhnya (pada skala). Meskipun tidak ada kesalahan pembacaan, namun kesalahan atau error muncul akibat dari skala bacaan (disebut precision error) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 10


Reproducibility Kedekatan hasil pengukuran output yang dilakukan berulang-ulang, dengan input dan kondisi operasi yang sama dalam periode waktu tertentu. Perfect Reproducibility: instrumen tidak mempunyai drift (kalibrasinya tidak bergeser dalam periode waktu panjang: minggu, bulan, tahun)

Drift Sebuah perubahan yang tidak diinginkan atau variasi output secara gradual dalam periode waktu. Jadi jika drift terjadi, korelasi antara inputoutput tidak dapat dibuat. Drift biasanya muncul jika instrumen sudah kuno.


INDALPRO / 11


Sensitivity Perbandingan (ratio) dari perubahan output terhadap perubahan input, pada kondisi tunak.

Resolution Nilai inkremen terkecil dari sebuah input atau output yang dapat dideteksi Jika inkremennya kecil Æ fine resolution besar Æ coarse resolution

Dead Zone Rentang terbesar dari varabel terukur yang tidak dapat direspon oleh instrumen, kadang-kadang disebut dead spot atau hysteresis. Dead zone biasanya terjadi pada instrumen penunjuk (indicating) atau pencatat (recording).


INDALPRO / 12


Backlash Disebut juga mechanical hystersis: kehilangan gerak yang mungkin terjadi pada elemen mekanik (gear, linkage, atau peralatan transmisi mekanik lainnya) karena terputus hubungan (kait-nya tidak kuat).

True Value Nilai variabel terukur yang terbebas dari error True value = Instrument reading – Static error

Static Error Perbedaan numeris antara nilai sesungguhnya dengan nilai yang diukur oleh instrumen

Mistake Kesalahan yang disebabkan oleh manusia (ketidak-telitian membaca, penerapan instrumen yang kurang tepat, kesalahan komputasi) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 13


Systematic Error Kadang-kadang disebut bias; deviasi seragam dari titik titik pengukuran sebuah instrumen. Ada 2 jenis: 1. Instrumental error: disebabkan oleh instrumen (friksi pada bearing, tegangan pegas/spring) dihindari dengan: (a) pemilihan instrumen yang tepat (b)penerapan faktor koreksi setelah penentuan besarnya error (c) kalibrasi instrumen terhadap alat standar. 2. Environmental error: disebabkan oleh kondisi eksternal (efek suhu, humiditas, tekanan barometrik) dihindari dengan: (a) menyediakan penyejuk ruangan (AC) (b)melapisi komponen tertentu dalam intrumen (c) menggunakan perlindungan (shield) magnetik 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 14


Random Error Error yang tidak diketahui penyebabnya. Error ini biasanya kecil, dan mungkin dapat ditangani secara matematis menurut hukum probabilitas.

Sources of Error 1. Pengetahuan yang tidak cukup tentang parameter proses dan kondisi perancangan. 2. Perancangan yang pas-pasan (poor design) 3. Perubahan parameter proses 4. Perawatan yang tidak baik (poor maintenance) 5. Error karena manusia yang mengoperasikan instrumen 6. Keterbatasan perancangan


INDALPRO / 15


Karakteristik Dinamis Instrumen jarang menanggapi secara spontan perubahan variabel terukur. Malah, ada juga yang menunjukkan sifat lambat (slowness/sluggishness) karena sesuatu seperti: massa, kapasitas termal, kapasitas fluida, atau kapasitas elektrik. Pure Delay (keterlambatan) sering dijumpai ketika instrumen menunggu beberapa reaksi untuk menanggapi perubahan variabel terukur. Instrumen industri selalu digunakan untuk mengukur kuantitas yang berfluktuasi.

∴

kelakuan dinamik dari sebuah instrumen sangat penting untuk dipelajari (lebih penting d.p. kelakuan statik). Kelakuan dinamik dari intrumen dapat dipelajari dengan melakukan variasi var. terukur a.l. step change, linear change, sinusoidal change.


INDALPRO / 16


Speed of Response Kecepatan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur.

Fidelity Tingkat kepercayaan instrumen dalam menanggapi perubahan variabel terukur tanpa error dinamik.

Lag Keterlambatan dalam menanggapi perubahan variabel terukur.

Dynamic Error Perbedaan antara nilai nyata yang bervariasi karena waktu dengan nilai yang ditunjukkan oleh instrumen


INDALPRO / 17


Respon Dinamik Instrumen Order Nol Hubungan input dan output:

d n xo d n −1 xo dxo d m xi an n + an −1 n −1 + L + a1 + a0 xo = bm m dt dt dt dt d m−1 xi dxi + bm−1 m−1 + L + b1 + b0 xi dt dt Dimana: xo = output ; xi = intput ; t = time

…. (2.1.1)

a′s, b′s = parameter fisik (diasumsi konstan) Jika a′s, b′s = 0

a0 x0 = b0 xi x0 =

Ideal or perfect dynamic performance (no lag or no distortion)

K=

Order nol …. (2.1.2)

b0 xi = Kxi a0

b0 = static sensitivity a0


…. (2.1.3) …. (2.1.4) INDALPRO / 18


Respon Dinamik Instrumen Order Satu Hubungan input dan output:

dxo a1 + a0 xo = b0 xi dt

b0 a1 dxo + xo = xi a0 a0 dt

…. (2.1.6)

dxo τ + xo = Kxi dt Transformasi Laplace: dimana: τ =

…. (2.1.5)

Order satu

xo K = xi τs + 1

a1 = time cons tan t a0 b0 K = = static sensitivity a0


…. (2.1.7)

…. (2.1.8)

…. (2.1.9)

INDALPRO / 19


Respon Dinamik Instrumen Order Dua 2 d xo dxo Hubungan input dan output: a2 + a1 + a0 xo = b0 xi 2 dt dt

1 d 2 xo 2ζ dxo + + xo = Kxi 2 2 (ωn ) dt ωn dt xo Transformasi Laplace: = 2 s xi

ω

2 n

+

K 2ζ

ωn

s +1

…. (2.1.10)

Order dua …. (2.1.11)

K = 2 2 τ s + 2ζτs + 1

…. (2.1.12)

a0 dimana: ωn = = undamped natural frequency, [rad / time] …. (2.1.13) a2 a1 …. (2.1.14) ζ = = damping ratio a0 a2 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 20

2.2. Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.1. Rentang/skala suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 21

2.2 Pengukuran Suhu

Beberapa Metode Pengukuran Suhu 1. Expansion Thermometer

2. Filled-System Thermometer

Expansion of solid Expansion of liquid Expansion of gas

Liquid-filled thermometer Vapor-pressure thermometer Mercury-filled thermometer

3. Electrical Temperature Instrument

4. Pyrometer

Resistance thermometer Thermocouple Thermistor

Radiation pyrometer Optical pyrometer


INDALPRO / 22

2.2 Pengukuran Suhu

Bimetallic Thermometer tetap

Tersedia: –103 s.d. 1004 oF atau –75 s.d. 540 oC

Gb. 2.2.2. Bimetallic Strips

Ekspansi elemen bimetallic (dua strip logam). Masing-masing strip logam mempunyai koefisien ekspansi termal berbeda. Ketika strip dipanaskan, seiring dengan naiknya suhu, keduanya berekspansi dengan panjang berbeda (Gb. 2.2.2). Jarak ekspansi proporsional terhadap pangkat dari panjang strip dan berbanding terbalik dengan tebal strip (logam). Pergerakan bimetallic digunakan menggerakkan pointer sehingga melintasi skala kalibrasi suhu. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 23

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.5. Thermometer with spiral bimetallic element. Digunakan di rumah dan di kantor sebagai indikator suhu lingkungan. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 24

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.4. Thermometer with helical bimetallic element 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 25

2.2 Pengukuran Suhu

Liquid in Glass Thermometer Salah satu alat ukur suhu yang paling sederhana, dan digunakan di laboratorium dan industri. Range: –18.4 s.d. 608 oF atau –120 s.d. 320 oC Alkohol : untuk suhu sangat rendah Merkuri : untuk suhu tinggi (merkuri membeku pada suhu –39 oC). Mudah pecah dan tidak mudah beradaptasi dengan perubahan suhu, sehingga penggunaannya di industri terbatas.

Gb. 2.2.5. Liquid in glass thermometer

Tidak digunakan, jika suhu berfluktuasi akan diukur dengan akurasi tinggi.

Termometer gelas berisi air raksa yang digunakan di industri: tangki terbuka berisi cairan, kettle, steam line,dan aliran fluida dalam pipa. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 26

Liquid in Metal Thermometer

2.2 Pengukuran Suhu

Kelemahan termometer gelas diatasi dengan penggunaan termometer logam. Glass bulb diganti dengan steel bulb Merkuri digunakan sebagai cairan, karena tidak kelihatan, bourdon tube digunakan untuk mengukur perubahan volume cairan. Ketika suhu naik, volume merkuri dalam bulb mengembang, bourdon tube cenderung untuk lurus, sehingga dapat menggerakkan pointer.

Gb. 2.2.6. Liquid in metal thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 27

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu dari cairan yang digunakan dalam termometer logam: Cairan

Rentang suhu (oF)

Rentang suhu (oC)

Mercury

–3 s.d. +1200 –40 s.d. +750 –50 s.d. +300 +70 s.d. +195 –125 s.d. +500

–39 s.d. +650 –40 s.d. +400 –46 s.d. +150 +20 s.d. +90 –87 s.d. +260

Xylene Alcohol Ether Cairan organik lain


INDALPRO / 28

2.2 Pengukuran Suhu

Filled-system Thermometer

Jika bulb dipanaskan atau didinginkan, maka fluida didalamnya mengembang atau berkontraksi, sehingga bourdon tube bergerak. Perpindahan bourdon tube menggerakan pointer untuk membaca suhu. Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene. Koefisien ekspasi xylene adalah 6 kali mercury.

Gb. 2.2.7. Filled-system thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 29

2.2 Pengukuran Suhu

Liquid-filled Thermometer Cairan pengisi bulb: mercury, ethyl alcohol, xylene, toluene. Koefisian ekspasi xylene adalah 6 kali koef ekspansi mercury, jadi memungkinkan perancangan bulb kecil. Kadang-kadang, air digunakan sebagai pengisi bulb Kriteria yang harus dipenuhi: 1. Tekanan sistem (di dalam bulb) harus lebih besar daripada tekanan uap cairan pengisi, untuk mencegah penguapan. 2. Cairan pengisi tidak boleh membeku mengganggu kalibrasi/pembacaan suhu.


supaya

tidak

INDALPRO / 30

2.2 Pengukuran Suhu

Vapor-pressure Thermometer Bulb sebagian berisi cairan, kapiler dan bourdon berisi gas. Cairan mendidih dan menghasilkan gas/uap yang mengisi kapiler dan bourdon. Cairan terus mendidih sampai mencapai tekanan uapnya. Di titik Pvap cairan berhenti mendidih, kecuali jika suhu naik. Saat suhu turun, sebagian uap mengembun, dan tekanan turun. Gb. 2.2.8. Vapor-pressure thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Karena perubahan tekanan ini, bourdon menggerakkan pointer yang dapat mengindikasikan suhu. INDALPRO / 31

2.2 Pengukuran Suhu

Rentang suhu cairan yang digunakan dalam vapor-pressure thermometer Cairan Argon

Suhu kritis – 122 oC

Titik didih

Rentang suhu yang tersedia

– 185.7 oC Untuk mengukur suhu sangat rendah (sampai – 253 oC)

Methyl chloride

143 oC

Sulphur dioxide

157 oC

– 10 oC 30 s.d. 120 oC

Ethyl-alcohol

243 oC

78.5 oC 200 s.d. 350 oF

Toluene

321 oC

110.5 oC 150 s.d. 250 oC

Ethyl-chloride

187 oC

12.2 oC 30 s.d. 100 oC

Bulane (n)

154 oC

– 0.6 oC 60 s.d. 130 oF (20 s.d. 80 oC)

Methyl bromide

----

– 23.7 oC 30 s.d. 130 oF (0 s.d. 50 oC)

4.6 oC 80 s.d. 180 oF

Di-ethyl ether

194 oC

34.5 oC 130 s.d. 300 oF (60 s.d. 160 oC)

Water

375 oC

100 oC 120 s.d. 220 oC


INDALPRO / 32

2.2 Pengukuran Suhu

Mercury-filled Thermometer Similar dengan liquid-filled thermometer, keduanya dipisahkan karena karakteristik mercury yang unik dan kepentingannya dalam pengukuran suhu medium. Karakteristik Mercury : • mendukung operasi elemen pengendalian • akurasi cukup tinggi • respon cepat

Gb. 2.2.9. Types of thermometer bulbs 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

• Rentang tekanan tinggi: 400 s.d. 1200 psig

INDALPRO / 33

2.2 Pengukuran Suhu

Perbandingan beberapa fluida pengisi pada filled-system thermometer


INDALPRO / 34

2.2 Pengukuran Suhu

Electrical Temperature Instruments Resistance Thermometer Karena tahanan logam tertentu berubah dengan berubahnya suhu, sifat ini digunakan untuk mengukur suhu. Jika T ↑ maka R ↑ (vice versa). Elemen tahanan biasanya panjang (dibentuk spiral), diselubungi dengan porselin untuk mencegah hubungan singkat antara wire dan metal sheath. Jenis-jenis logam: platinum, copper, dan nickel.

Gb. 2.2.10. Resistance thermometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 35

2.2 Pengukuran Suhu

Karakteristik beberapa RTD


INDALPRO / 36

2.2 Pengukuran Suhu

Thermocouple Prinsip kerja thermocouple tergantung dari pengaruh thermoelectric.

Gb. 2.2.11. Thermocouple

Jika salah satu junction dipanaskan, arus mengalir dalam circuit dan dideteksi oleh galvanometer.

Jumlah arus yang dihasilkan tergantung dari perbedaan suhu antara dua junction dan karakteristiknya. Hal ini pertama kali diteliti oleh Seeback (1821) sehingga dikenal dengan Seeback Effect.

Cocok untuk digunakan sebagai salah satu element pengendalian (sensor element for control system). 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 37

2.2 Pengukuran Suhu

Penerapan thermocouple

Gb. 2.2.12. Penerapan thermocouple


INDALPRO / 38

2.2 Pengukuran Suhu

Gb. 2.2.13. EMF chart for various thermocouples with free end at 0 oC 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 39

2.2 Pengukuran Suhu

Radiation Pyrometer Pyrometry adalah salah satu teknik pengukuran suhu tanpa kontak fisik, tetapi suhu fluida dideteksi dengan mengukur radiasi elektromagnetik.

Gb. 2.2.14. Radiation pyrometer

Dalam pyrometer radiasi, sebuah bodi hitam digunakan untuk menyerap panas.

Lensa digunakan untuk menyatukan (focus) energi radiasi dari bodi. Radiasi energi diterima oleh detector (thermocouple, thermophile), dan diteruskan ke recorder, sehingga suhu fluida dapat dibaca. Pryrometer dapat mengukur suhu tinggi (>1400 oC)


INDALPRO / 40

Optical Pyrometer

Gb. 2.2.15. Industrial optical pyrometer


INDALPRO / 41

2.3. Pengukuran Tekanan

Pressure

Definisi: P =

F A

…. (2.3.1)

Total or Absolute Pressure (Psia) Barometric Pressure

Gauge Pressure

Atmospheric Reference (Standard Atmospheric Pressure = 760 mm Hg = 29.921 in Hg

Vacuum Absolute Pressure

= 14.696 psia)

Absolute Reference

Gb. 2.3.1. Hubungan antara tekanan absolut, gauge, dan barometrik.


INDALPRO / 42

2.3 Pengukuran Tekanan

Beberapa Metode Pengukuran Tekanan

1. Manometer method (paling sederhana) 2. Elastic Pressure Transducers

U-tube manometer Well-type manometer Barometer Micromanometer C-type bourdon tube pressure gauge Diaphragm pressure transducer Bellows

3. Pressure measurement by measuring vacuum 4. Force-Balance Pressure Gauge 5. Electrical pressure Transducer


INDALPRO / 43


U-tube manometer

Gb. 2.3.2. U-tube manometer

(P − P ) = (ρ − ρ )(h − h )g P = (ρ − ρ )gh 1

2

1

l

2

…. (2.3.2)

l

Dimana:

ρ = densitas fluida di dalam U-tube ρl = densitas fluida yang diukur tekanannya h = (h1 – h2), perbedaan ketinggian fluida dalam U-tube g = percepatan grafitasi


INDALPRO / 44


Well-type manometer Banyak digunakan karena pengukurannya lebih mudah: pembacaan hanya pada salah satu leher tube. Akurasi tinggi dapat tercapai jika zero-level pada well diset pada zero-level pada skala sebelum pembacaan dilakukan

Gb. 2.3.3. Well-type manometer 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 45


Barometer Alat ukur tekanan absolute dengan rentang tekanan dari zero absolute sampai atmospheric pressure. Biasanya dinyatakan dalam mm Hg.

Gb. 2.3.4. Barometer


INDALPRO / 46


Elastic Pressure Transducer Menggunakan elemen sensor elastis: Bourdon tube, bellows, dan diaphragm. C-type bourdon tube pressure gauge

Gb. 2.3.5. C-type bourdon tube pressure gauge 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 47


Diaphragm Pressure Transducer Digunakan secara luas untuk tekanan gauge; dan dapat mendeteksi tekanan rendah: 0 – 4 mm.

(b) Slack Diaphragm Gauge (a) Metallic Diaphragm

Gb. 2.3.6. Diaphragm pressure transducer


INDALPRO / 48


Bellows Digunakan untuk mengukur tenakan absolut (tekanan rendah) Range: tekanan rendah sampai 155.1 mmHg (3 psi) ; atau sampai 40 mmHg, jika bellows dibuat cukup besar.

Gb. 2.3.7. Bellows pressure element 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Gb.2.3.8. Differential Bellows Gauge INDALPRO / 49

2.4. Pengukuran Level ¾ Merupakan salah satu pengukuran tertua ¾ Penting dalam proses industri Æ berpengaruh terhadap tekanan dan laju alir masuk dan keluar tangki. Metode Pengukuran: Sight Glass

Langsung: Float-type

Sight glass for an open tank High pressure sight glass Float-operated liquid level indicator Hydraulic transmission system Press. Gauge method

Hydrostatic pressure type

Tak-langsung:

Air bellows Air purge system

Electrical method 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Capacitance level indicator Radiation level detector INDALPRO / 50

2.4 Pengukuran Level

Sight Glass

Gb. 2.4.1. Sight glass for an open tank

Disebut juga gauge glass; digunakan untuk pengukuran level cairan dalam tangki secara kontinyu. Ketika level cairan dalam tangki bergerak naik atau turun, level cairan dalam sight glass juga bergerak naik dan turun, shg level dapat dibaca pada skala. Cairan dalam sight glass boleh tidak sama dengan cairan dalam tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 51


Sight Glass (lanjutan) Batasan: Panjang glass ≤ 900 mm. Jika lebih; 2 atau lebih sight glass harus disediakan untuk level yang berbeda.

Gb. 2.4.2. High pressure sight glass

Mampu menahan tekanan: 350 psi (steam 252 oC) 1000 psi (cairan)

Untuk tekanan tinggi, sight glass harus dihubungkan dgn tangki pada bagian atas dan bawah (Gb. 2.4.2). Jika tidak perbedaan tekanan antara tangki dan sight glass akan menyebabkan kesalahan pembacaan. Valve dipasang untuk mencegah pecahnya glass. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 52


Sight Glass (lanjutan) Kelebihan: 1. Pembacaan langsung sangat memungkinkan. 2. Perancangan khusus tersedia untuk penggunaan sampai 316 oC dan 1000 psi. 3. Glass tahan terhadap korosi. Kekurangan: 1. Hanya dapat dibaca di lokasi tangki. 2. Cairan di dalam sight glass mungkin membeku pada musim dingin, sehingga menyebabkan kesalahan pembacaan. 3. Cairan yang mengandung padatan tak-larut atau cairan kental (viscous) tidak dapat diukur levelnya dengan baik. 4. Akurasi tergantung pada kebersihan glass dan cairan.


INDALPRO / 53


Float-Type Level Indicator Pergerakan float ditransmisikan melalui stainless steel atau phosphor bronze flexible cable ke pointer , dan pointer menunjukkan ketinggian cairan dalam tangki. Standard Liquid Level: ½ ft – 60 ft (0,15 – 1,52 m)

Gb. 2.4.3. Float-operated liquid level indicator


INDALPRO / 54


Float-Type Level Indicator Level cairan dapat ditransmisikan ke suatu tempat dengan sistem transmisi hidrolik Empat elemen bellow terhubungkan satu sama lain melalui pipa berisi minyak: 2 di receiver (A & B) Gb. 2.4.4. Hydraulic Transmission System for Level Indication

2 di transmitter (C & D)

Float naik: A mengembang dan B tertekan, minyak di pipa mengalir dari B ke C, dan D ke A, pointer bergerak ke kanan; Bagaimana jika sebaliknya? Transmisi Level : sampai 250 ft (6,35 m) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 55


Float-Type Level Indicator (lanjutan) Kelebihan: 1. Memungkinkan membaca level cairan di dalam tangki dari level dasar, meskipun tangki dipasang di daerah bawah tanah. 2. Beaya murah, dan perancangannya terpercaya. 3. Dapat dioperasikan pada suhu yang relatif tinggi. 4. Terdapat berbagai pilihan material yang tahan korosi untuk merancang tipe ini. Kekurangan: 1. Terbatas untuk pengukuran level menengah (moderate). 2. Bentuknya disesuaikan dengan geometri tangki.


INDALPRO / 56


Pressure Gauge Method • Metode paling sederhana untuk pengukuran level tangki terbuka • Tekanan hidrostatik:

P = ρ h Sg

…. (2.4.1)

• Level cairan: Gb. 2.4.5. Open Tank Pressure Indicator Dimana: P = tekanan: psi atau N/m2 ρ = densitas air Sg= specific gravity h = tinggi cairan Pext = tekanan cairan eksternal (tangki tertutup) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

P h= ρ Sg

…. (2.4.2)

• Jika tangki tertutup:

P = ρ h S g + Pext

…. (2.4.3)

INDALPRO / 57


Air Bellows Ketika instrumen tidak dapat diletakkan di datum tertentu, dipilih air bellows Bellows element dihubungkan dengan press indicator menggunakan pipa.

Gb. 2.4.6. Flexible air bellows

Ketika tangki kosong, udara tidak tertekan dan menunjukkan tekanan nol.

Saat tangki terisi cairan, udara dalam bellows tertekan, dan pointer bergerak menunjukkan tekanan cairan dalam tangki. Tekanan ini dikalibrasikan menjadi tinggi cairan (level).


INDALPRO / 58


Air Bellows

• Aplikasi Industri. • Liq seal digunakan untuk pengukuran level cairan yang korosif atau viscous.

Gb. 2.4.7. A closed box air bellows connected to the pressure fluid tank 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 59


Air Purge System • Bubbler tube • Cocok untuk semua cairan

Gb. 2.4.8. Air purge system

• Jika tangki kosong, udara keluar dari tube, dan tidak ada tekanan balik sehingga tekanan nol.

• Jika tinggi cairan bertambah, aliran udara terhambat oleh ketinggian cairan tsb, menghasilkan tekanan balik yang menyebabkan pointer bergerak. • Pergerakan pointer dikalibrasikan menjadi besaran tinggi cairan. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 60


Capacitance Level Indicator • Parallel plate capacitor:

C=K

A D

…. (2.4.4)

Dimana: C = capacitance: farad K = konstanta dielektrik A = luas plate, m2 Gb. 2.4.9. Capacitance level indicator

h = jarak dua plate: m

• Jika tinggi cairan naik: capacitance naik, begitu juga sebaliknya. • Naik turunnya capacitance dikalibrasikan ke dalam term level cairan


INDALPRO / 61


Capacitance Level Indicator Kelebihan: 1. Sangat berguna untuk sistem dengan ukuran sangat kecil. 2. Sangat sensitif. 3. Cocok untuk sistem pengendalian atau untuk indikasi kontinyu. 4. Baik untuk slurry. 5. Prob material untuk fluida korosif tersedia Kekurangan: 1. Kinerjanya dipengaruhi oleh pengotor fluida, karena pengotor dapat mengubah konstanta dielektrik. 2. Sensitif terhadap perubahan suhu. 3. Fluida tertentu harus menggunakan Prob yang cocok. 4. Panjang prob harus sesuai dengan panjang dinding tangki. 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 62


Radiation Level Detector Gamma ray

• Digunakan ketika, metode elektrik yang lain tidak memungkinkan • Tidak memerlukan kontak dengan cairan yang diukur. • Jika tangki kosong: γray menembus dua dinding tangki dan udara dalam tangki.

Gb. 2.4.10. Radiation type level indicator • Jika tangki berisi cairan: cairan dalam tangki mengurangi radiasi γray . Besarnya radiasi berbanding terbalik dengan volume cairan dalam tangki.


INDALPRO / 63


Radiation Level Detector Kelebihan: 1. Tidak ada kontak fisik dengan cairan. 2. Cocok untuk cairan: korosif, abrasif, viscous, adherent 3. Cocok untuk sistem suhu dan tekanan tinggi. 4. Mempunyai akurasi dan respon yang baik. 5. Tidak mempunyai bagian yang bergerak. Kekurangan: 1. Pembacaannya dipengaruhi oleh perubahan densitas cairan. 2. Source holder mungkin sangat berat. 3. Harga relatif mahal


INDALPRO / 64

2.5. Pengukuran Laju aliran ¾ Merupakan pengukuran tertua di bidang Instrumentasi ¾ Menentukan jumlah material yang masuk atau keluar proses. ¾ Metode pengukuran laju aliran: 1. Inferential type flowmeter

Akan dibahas

2. Quantity flowmeter 3. Mass flowmeter Variable head or differential meter Inferential type flowmeters

Variable area meter Turbine meter Thermal meter


INDALPRO / 65

2.5 Pengukuran Laju Aliran

Variable Head or Differential Meter Salah satu metode tertua dan sering digunakan di industri Dari teori Bernoulli: Laju volumetrik

⎡ 2( p1 − p2 ) ⎤ q = cd . A2 ⎢ 4 ⎥ − ρ 1 β ⎣ ⎦

(

)

1 2

…. (2.5.1)

Gb. 2.5.1. Differential Pressure Flowmeter

Laju alir massa

m = C A2 2( p1 − p2 )ρ …. (2.5.2) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 66


Dimana: q = laju alir volumetrik m = laju alir massa A = Luas penampang orifice h = differential head (pressure) melewati tahanan dalam pipa

C=

cd 1− β

4

= cons tan t

cd = discharge coefficient

d (diameter of restriction element ) β = diameter ratio = D(inside diameter of the pipe ) 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 67


Gb. 2.5.2. Orifice Plates


INDALPRO / 68


Gb. 2.5.3. Venturi tubes: (a) Classic ; (b) Eccentric ; (c) Rectangular 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 69

A copper aspirator. The water inlet and outlet are at the top and bottom, respectively; the air inlet is on the side.

This is a Venturi tube demonstration apparatus built out of PVC pipe and operated with a vacuum pump


INDALPRO / 70


Variable Area Flowmeter

Gb. 2.5.4. Rotameter 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

INDALPRO / 71


Turbine Flowmeter Aplikasi: + Militer + Sistem pencampuran (industri petroleum) + Aerospace and airborne Gb. 2.5.5. Turbine Flowmeter

+ Cryogenic (liq. O2 and N2)

Cocok untuk pengukuran cairan dan gas dengan laju alir sangat rendah. Akurasi: ±1/4 s.d. ±1/2


INDALPRO / 72


Liquid Measuring Devices: Liquid/Gas Ultrasonic Flow Meter

Liquid Turbine Flow Meter

Orifice Plates


INDALPRO / 73


Gas Measuring Devices

Orifice plate flowmeter

Gas Turbine Flowmeter Flow Nozzles

Orifice plate holder Mini Gas turbine flowmeter 2 - DASAR-DASAR INSTRUMENTASI PROSES – DR. ENG. Y. D. HERMAWAN

Venturi tubes

INDALPRO / 74


Thermal Flowmeter Sangat populer untuk pengukuran aliran gas tidak tunak. Ada 2 : heat transfer flowmeter dan hot-wire flowmeter.

Q = WCP (T2 − T1 )

…. (2.5.3)

Q W= CP (T2 − T1 )

…. (2.5.4)

Dimana: Q = perpindahan panas

Gb. 2.5.6. Heat transfer flowmeter

W = laju alir massa fluida CP = Kapasitas panas fluida T1 = suhu fluida sebelum dipanaskan T2 = suhu fluida setelah dipanaskan


INDALPRO / 75

02 Dasar-Dasar Instrumentasi Proses - ydhermawan's blog

Recommend Documents