A. PENGERTIANPada 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

Biayanya rendah

Mudah dalam penggantian

Head loss tinggi

Akurasi tergantung pada

kondisi instalasi dan

kondisi orifice

Venturi

Head loss rendah

Kapasitas aliran lebih besar dari orifice

pada beda tekanan yang sama

Akurasi tidak tergantung pada pemakaian

dan kondisi instalasi

Biaya awalnya besar

Nozel

Head loss rendah

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

Sulit dalam penggantian

B. PRINSIP KERJA1. 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)

32

1

P1 P2

D dVena contracta

P3OrificePipa

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),

(1)

(2)

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,

(5)

(3)

(4)

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.

(6)

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.

(8)

(7)

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,

(9)

(10)

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,

(11)

(12)

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:

2.2.1 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

2.2.2 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

2.2.3 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

2.2.4 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

2.2.5 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

2.2.6 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.