A. PENGERTIAN Pada 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 industriindustri 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 Orifice Kelebihan Mudah dalam pemasangan Biayanya rendah Mudah dalam penggantian Head loss rendah Kapasitas aliran lebih besar dari orifice pada Venturi beda tekanan yang sama Akurasi tidak tergantung pada pemakaian dan kondisi instalasi Head loss rendah Kapasitas aliran lebih besar dari orifice pada beda tekanan yang sama Nozel Akurasi tidak tergantung pada pemakaian dan kondisi instalasi Baik untuk temperature dan kecepatan tinggi Sulit dalam penggantian Kekurangan Head loss tinggi Akurasi tergantung pada kondisi instalasi dan kondisi orifice Biaya awalnya besar

B. PRINSIP KERJA 1. Prinsip dan Persamaan Dasar Orifice merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip beda tekanan atau disebut juga Bernoullis 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.

Pipa

P1

Orifice

P2

P3

D

d

Vena contracta

1

2

3

Gambar 2.9 Prinsip Kerja Orifice Keterangan : P1 = tekanan upstream P2 = tekanan downstream (pada vena contracta)

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(1)

(2)

Subtitusi pesamaan (2) ke persamaan (1),

(3)

c.

Menghitung laju aliran volume(4)

Substitusi persamaan (3) ke (4), maka,

Untuk meyederhanakan maka dibagi dengan , sehingga laju aliran volume menjadi,(5)

Substitusikan

ke persamaan (5)sehingga menjadi,

(6)

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 (). Bilangan Reynolds (Re) dirumuskan sebagai berikut,

Nilai Cd dapat diperoleh dengan persamaan,

Persamaan tersebut dapat digambarkan alam bentuk grafik pada Gambar 2.10.

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,(7)

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)

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,

(9)

Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa adalah sebagai berikut,(10)

Dengan substitusi persamaan (7) ke persamaan (10) maka laju aliran massa menjadi,(11)

Atau dengan substitusi persamaan (9) ke persamaan (10) maka laju aliran massa menjadi,(12)

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,

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) P = Beda Tekanan (N/ m2) d D a1 K v Y = Diameter Orifice (m) = Diameter dalam Pipa (m) = Luas penampang pipa (m2) = massa jenis (Kg/ m3) = Flow Coefficient = kecepatan fluida (m/s) = viskositas fluida (kg/ms) = faktor kompresibilitas = isentropic coefficient (untuk gas ideal=1.4)

a0 = Luas Penampang orifice (m2)

Cd = Coefficient of Discharge

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 (). 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 .

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. b. c. Square edge: untuk menakar aliran uap atau air. Conical Entrance: untuk mengukur fluida kental (minyak). 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. b. besar. c. Flange Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan diantara kedua jenis tapping pressure di atas. 3. Manometer dan Thermometer Corner Tapping, jenis ini akan menghasilkan perbedaan tekanan yang Dinamo dan D/2 Tapping, jenis ini menghasilkan perbedaan tekanan yang

terkecil dari ketiga jenis ini.

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 . Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai 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 . 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 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.