Fakta Tentang Orifice Flow Meter – Orifice Flow Meter adalah untuk pengukuran aliran: elemen penginderaan primer yang murah namun efektif. Konsepnya sangat sederhana. Tempatkan pembatasan dalam pipa, kemudian ukur penurunan tekanan (ΔP) yang dihasilkan melintasi pembatasan itu untuk menyimpulkan laju aliran. disini kami akan membahas fakta tentang orifice flow meter secara detail.
Definisi Orifice Flow Meter
Sekarang, hal yang sangat aneh tentang mengukur aliran dengan cara ini adalah bahwa sinyal P yang dihasilkan tidak secara linier sesuai dengan laju aliran. Gandakan laju aliran, dan P menjadi empat kali lipat. Tiga kali lipat laju aliran dan P meningkat dengan faktor sembilan. Untuk menyatakan hubungan ini secara matematis:
Dengan kata lain, tekanan diferensial melintasi pelat orifice (ΔP) sebanding dengan kuadrat laju aliran (Q2). Untuk lebih tepatnya, kita dapat memasukkan koefisien (k) dengan nilai presisi yang mengubah proporsionalitas menjadi kesetaraan:
Dinyatakan dalam bentuk grafik, fungsinya terlihat seperti setengah parabola:
Untuk mendapatkan sinyal pengukuran aliran linier dari sinyal keluaran instrumen tekanan diferensial, kita harus “mengakar kuadrat” sinyal itu, baik dengan komputer di dalam pemancar, dengan komputer di dalam instrumen penerima, atau instrumen komputasi terpisah (“akar kuadrat alat pengambilan sari”). Kita mungkin melihat secara matematis bagaimana ini menghasilkan nilai laju aliran (Q), mengikuti dari persamaan awal kita:
Catatan : Karena kita dapat memilih nilai k berapa pun yang kita perlukan untuk membuat persamaan ini, kita tidak harus menyimpan k di dalam radikan, jadi Anda biasanya akan melihat persamaan tertulis seperti yang ditunjukkan pada langkah terakhir dengan k di luar radikan. Siswa diajari bahwa tekanan diferensial berkembang sebagai konsekuensi dari konservasi energi dalam aliran cairan yang mengalir. Saat cairan memasuki penyempitan, kecepatannya harus meningkat untuk memperhitungkan laju volumetrik yang sama melalui area yang dikurangi.
Hal ini menghasilkan peningkatan energi kinetik, yang harus disertai dengan penurunan energi potensial (yaitu tekanan) yang sesuai untuk menghemat energi fluida total.
Baca Juga : Cara Kerja, Aplikasi, dan Keuntungan Orifice Flow Meter
Pengukuran tekanan yang dilakukan dalam pipa venturi mengkonfirmasi hal ini:
Sejujurnya, ini tidak masuk akal bagi saya ketika saya mendengar ini (pertama kali ketika saya masih mahasiswa). “Akal sehat” saya memberi tahu saya bahwa tekanan cairan akan meningkat karena dijejalkan ke dalam penyempitan, bukan berkurang. Terlebih lagi, “akal sehat” mengatakan kepada saya bahwa tekanan apa pun yang hilang melalui penyempitan tidak akan pernah kembali, bertentangan dengan indikasi tekanan pengukur terjauh di hilir.
Menerima prinsip ini adalah tindakan iman di pihak saya, mengesampingkan prasangka untuk sesuatu yang baru. Namun, lompatan iman tidak sama dengan lompatan pemahaman. Saya percaya apa yang diberitahukan kepada saya, tetapi saya benar-benar tidak mengerti mengapa itu benar. Masalahnya bertambah ketika guru saya menunjukkan persamaan aliran yang lebih rinci. Persamaan baru ini berisi istilah untuk densitas fluida (ρ):
Persamaan ini menunjukkan kepada kita bahwa pengukuran aliran pelat orifice bergantung pada densitas. Jika densitas fluida berubah, kalibrasi instrumen kami harus berubah untuk menjaga akurasi pengukuran yang baik. Namun, ada sesuatu yang mengganggu saya tentang persamaan ini, jadi saya mengangkat tangan. Pertukaran berikutnya antara guru saya dan saya berjalan seperti ini:
Saya: Bagaimana dengan viskositas?
Guru: Apa?
Saya: Apakah viskositas fluida tidak berpengaruh pada pengukuran aliran, seperti halnya densitas?
Guru: Anda tidak melihat variabel viskositas dalam persamaan, bukan?
Saya: Ya, tidak, tapi itu pasti berpengaruh pada pengukuran aliran!
Guru : Kok bisa?
Saya: Bayangkan air bersih mengalir melalui venturi, atau melalui lubang pelat orifice. Pada laju aliran tertentu, sejumlah P akan berkembang melintasi orifice.
Sekarang bayangkan lubang yang sama mengalirkan madu cair dengan kecepatan yang sama: kira-kira kepadatannya sama dengan air, tetapi jauh lebih tebal. Bukankah peningkatan “ketebalan,” atau viskositas, madu menghasilkan lebih banyak gesekan melalui lubang, dan dengan demikian lebih banyak penurunan tekanan daripada apa yang akan dibuat air?
Guru: Saya yakin viskositas memiliki beberapa efek, tetapi harus minimal karena tidak ada dalam persamaan.
Saya: Lalu mengapa madu begitu sulit untuk dihisap melalui sedotan?
Guru: Datang lagi?
Saya: Sedotan adalah pipa sempit, mirip dengan tenggorokan venturi atau lubang lubang, kan? Perbedaan tekanan antara hisapan di mulut saya dan atmosfer adalah P melintasi lubang itu.
Hasilnya mengalir melalui sedotan. Jika viskositas tidak begitu berpengaruh, lalu mengapa madu cair jauh lebih sulit untuk dihisap melalui sedotan daripada air? Tekanannya sama, densitasnya hampir sama, lalu mengapa laju alirannya tidak sama dengan persamaan yang baru saja Anda berikan kepada kami?
Guru: Dalam industri, kita biasanya tidak mengukur cairan setebal madu, jadi aman untuk mengabaikan viskositas dalam persamaan aliran
Tabir asap guru saya – aliran aliran fluida yang kental jarang terjadi di industri – tidak mengurangi kebingungan saya. Terlepas dari ketidaktahuan saya tentang dunia industri, saya dapat dengan mudah membayangkan cairan yang lebih kental daripada air, madu atau tanpa madu.
Di suatu tempat, entah bagaimana, seseorang harus mengukur laju aliran cairan tersebut, dan di sana efek viskositas pada orifice P harus terlihat. Pasti guru saya tahu ini. Tetapi mengapa persamaan aliran tidak memiliki variabel viskositas di dalamnya? Bagaimana mungkin parameter ini tidak penting?
Namun, seperti kebanyakan siswa, saya dapat melihat bahwa berdebat tidak akan membawa saya ke mana-mana dan lebih baik nilai saya mengikuti apa yang dikatakan guru daripada menekan jawaban yang tidak bisa dia berikan. Dengan kata lain, saya menyapu keraguan saya di bawah karpet “belajar” dan membuat lompatan keyakinan.
Setelah itu, kami mempelajari berbagai jenis pelat lubang, berbagai jenis lokasi tap tekanan, dan elemen penginderaan primer inferensial lainnya (tabung Pitot, pengukur target, siku pipa, dll.). Mereka semua bekerja pada prinsip Bernoulli tentang penurunan tekanan melalui pembatasan, dan mereka semua membutuhkan ekstraksi akar kuadrat dari sinyal tekanan untuk mendapatkan pengukuran aliran linier.
Baca Juga : Definisi, Cara Kerja, dan Aplikasi Paddle Flow Switch
Fakta Tentang Orifice Flow Meter
Faktanya, ini menjadi satu-satunya kriteria untuk menentukan apakah kita memerlukan ekstraksi akar kuadrat pada sinyal atau tidak: apakah pengukuran aliran berasal dari instrumen tekanan diferensial? Jika demikian, maka kami perlu “mengakar kuadrat” sinyal. Jika tidak, kami tidak melakukannya.
Perbedaan yang rapi dan bersih, memisahkan pengukuran aliran berbasis P dari yang lainnya (magnetik, pelepasan vortex, efek Coriolis, termal, dll.). Bagus, bersih, sederhana, rapi, dan hanya 95% benar, seperti yang akan saya temukan nanti.
Maju cepat lima belas tahun. Saya sekarang menjadi guru di sebuah perguruan tinggi teknik, mengajar Instrumentasi kepada siswa seperti saya satu setengah dekade yang lalu. Ini adalah pertama kalinya saya bersiap untuk mengajar pengukuran aliran, jadi saya memoles pengetahuan saya pada buku teknis (Liptak, Bela G) dan menemukan jenis flowmeter yang belum pernah saya lihat atau dengar sebelumnya: flowmeter laminar. Saat saya membaca bagian buku ini, rahang saya menyentuh lantai.
Berikut adalah flowmeter berbasis tekanan diferensial yang linier! Artinya, tidak diperlukan ekstraksi akar kuadrat sama sekali untuk mengubah pengukuran P menjadi pengukuran aliran. Selanjutnya, operasinya didasarkan pada beberapa persamaan aneh yang disebut Hukum Hagen-Poiseuille daripada Hukum Bernoulli.
Pada awal pembahasan bagian flowmeter ini, beberapa paragraf menjelaskan arti dari sesuatu yang disebut bilangan Reynolds dari aliran aliran, dan bagaimana ini sangat penting untuk flowmeters laminar. Sekarang, saya pernah mendengar tentang bilangan Reynolds sebelumnya ketika saya bekerja di industri, tetapi saya tidak pernah tahu apa artinya.
Yang saya tahu adalah bahwa itu ada hubungannya dengan pemilihan jenis flowmeter: seseorang harus mengetahui bilangan Reynolds fluida sebelum seseorang dapat dengan tepat memilih jenis instrumen pengukur aliran mana yang akan digunakan dalam aplikasi tertentu. Sedikit yang saya tahu bahwa nomor Reynolds memegang kunci untuk memahami pertanyaan “madu-melalui-jerami” saya bertahun-tahun yang lalu, serta memahami (bukan hanya percaya) bagaimana pelat lubang benar-benar bekerja.
Baca Juga : Prinsip Kerja, dan Aplikasi Laminar Flow Meter
Flowmeters laminar hanya efektif untuk bilangan Reynolds rendah, biasanya di bawah 1200. Umumnya bilangan Reynolds untuk aliran aliran pelat orifice jauh lebih besar (10000 atau lebih tinggi). Lebih jauh lagi, bagian pelat orifice berisi bagian yang berwawasan luas tentang buku teknis yang sekarang akan saya kutip di sini. Kata-kata yang dicetak miring menunjukkan penekanan saya sendiri, menemukan titik-titik yang tepat dari “Aha!” momen:
Persamaan dasar aliran mengasumsikan bahwa kecepatan aliran adalah seragam di seluruh penampang tertentu. Dalam prakteknya, kecepatan aliran pada setiap penampang mendekati nol pada lapisan batas yang berdekatan dengan dinding pipa, dan bervariasi pada diameternya.
Profil kecepatan aliran ini memiliki pengaruh yang signifikan terhadap hubungan antara kecepatan aliran dan perbedaan tekanan yang dikembangkan dalam head meter. Pada tahun 1883, Sir Osborne Reynolds, seorang ilmuwan Inggris, mempresentasikan makalah di hadapan Royal Society, mengusulkan rasio tunggal tanpa dimensi yang sekarang dikenal sebagai bilangan Reynolds, sebagai kriteria untuk menggambarkan fenomena ini. Bilangan ini, Re, dinyatakan sebagai di mana V adalah kecepatan, D adalah diameter, adalah kerapatan, dan adalah viskositas absolut.
Bilangan Reynolds menyatakan rasio gaya inersia terhadap gaya viskos. Pada bilangan Reynolds yang sangat rendah, gaya viskos mendominasi, dan gaya inersia memiliki pengaruh yang kecil. Perbedaan tekanan mendekati proporsionalitas langsung dengan kecepatan aliran rata-rata dan viskositas. Pada bilangan Reynolds yang tinggi, gaya inersia mendominasi dan efek drag viskos menjadi diabaikan.
Apa yang dikatakan paragraf di atas adalah bahwa untuk fluida kental yang bergerak lambat (seperti madu dalam sedotan), gaya gesekan (fluida “menyeret” ke dinding pipa) jauh lebih besar daripada gaya inersia (momentum fluida) . Ini berarti bahwa perbedaan tekanan yang diperlukan untuk memindahkan fluida semacam itu melalui pipa terutama bekerja untuk mengatasi gesekan fluida itu terhadap dinding pipa.
Baca Juga : Komponen Dasar Sistem HVAC
Untuk sebagian besar aliran industri, di mana kecepatan alirannya cepat dan cairannya memiliki viskositas yang kecil (seperti air bersih), aliran melalui pelat orifice diasumsikan tanpa gesekan. Dengan demikian, tekanan yang dijatuhkan pada suatu penyempitan bukanlah akibat gesekan antara fluida dan pipa, tetapi lebih merupakan konsekuensi keharusan untuk mempercepat fluida dari kecepatan rendah ke kecepatan tinggi melalui lubang sempit.
Kesalahan saya, bertahun-tahun yang lalu, adalah dengan mengasumsikan bahwa air yang mengalir melalui lubang menghasilkan gesekan yang besar, dan inilah yang menciptakan P melintasi pelat lubang. Inilah yang “akal sehat” saya katakan kepada saya. Dalam benak saya, saya membayangkan air harus mengalir melewati dinding pipa, melewati permukaan pelat lubang, dan melalui penyempitan lubang dengan kecepatan yang sangat tinggi, untuk bisa melewati sisi lain.
Saya mengingat apa yang dikatakan guru saya tentang pertukaran energi dan bagaimana tekanan harus turun ketika kecepatan meningkat, tetapi saya tidak pernah benar-benar menginternalisasinya karena saya masih berpegang pada asumsi saya yang salah tentang gesekan sebagai mekanisme dominan penurunan tekanan di pelat lubang.
Dengan kata lain, sementara saya dapat meneladani doktrin pertukaran energi kinetik dan potensial, saya masih berpikir dalam kerangka gesekan, yang merupakan fenomena yang sama sekali berbeda. Perbedaan antara kedua fenomena ini adalah perbedaan antara energi yang ditukar dan energi yang hilang.
Untuk menggunakan analogi listrik, itu adalah perbedaan antara reaktansi (X) dan resistansi (R). Kebetulan, banyak siswa elektronika mengalami kebingungan yang sama ketika mereka mempelajari reaktansi, salah mengira itu adalah hal yang sama dengan resistensi yang pada kenyataannya sangat berbeda dalam hal energi, tetapi itu adalah subjek untuk esai lain!
Dalam aliran aliran tanpa gesekan, tekanan fluida berkurang dengan meningkatnya kecepatan fluida untuk menghemat energi. Cara lain untuk memikirkan hal ini adalah bahwa perbedaan tekanan harus dikembangkan untuk memberikan “dorongan” yang diperlukan untuk mempercepat fluida dari kecepatan rendah ke kecepatan tinggi.
Baca Juga : Kelebihan dan Kekurangan Doppler Flow Meter
Sebaliknya, saat cairan melambat kembali setelah melewati penyempitan, perbedaan tekanan balik harus berkembang untuk memberikan “dorongan” yang diperlukan untuk perlambatan itu:
Massa yang bergerak tidak hanya melambat dengan sendirinya! Harus ada gaya yang berlawanan untuk memperlambat massa dari kecepatan tinggi ke kecepatan rendah. Di sinilah pemulihan tekanan hilir pelat orifice berasal.
Jika perbedaan tekanan melintasi pelat orifice terutama berasal dari gesekan, seperti yang saya asumsikan secara keliru ketika saya pertama kali belajar tentang pelat orifice, maka tidak akan ada alasan bagi tekanan untuk pulih di hilir penyempitan. Adanya gesekan berarti energi yang hilang, bukan energi yang ditukar.
Meskipun kelembaman dan gesekan mampu menciptakan penurunan tekanan, efek jangka panjang dari dua fenomena yang berbeda ini jelas tidak sama. Ada hubungan kuadrat (“persegi”) antara kecepatan dan tekanan diferensial justru karena ada hubungan kuadrat antara kecepatan dan energi kinetik seperti yang dipelajari semua siswa fisika kuartal pertama (Ek = 1/2mv2).
Baca Juga : Kelebihan dan Kekurangan Transit Time Flow Meter
Inilah sebabnya mengapa P meningkat dengan kuadrat laju aliran (Q2) dan mengapa kita harus “mengakar-kuadrat” sinyal P untuk mendapatkan pengukuran aliran. Ini juga mengapa densitas fluida sangat penting dalam persamaan aliran orifice-plate.
Semakin padat suatu fluida, semakin banyak kerja yang diperlukan untuk mempercepatnya melalui penyempitan, menghasilkan P yang lebih besar, semua kondisi lainnya sama:
Persamaan ini hanya akurat, namun, ketika gesekan fluida diabaikan: ketika viskositas fluida sangat rendah dan/atau kecepatannya sangat tinggi sehingga efek pertukaran energi potensial dan kinetik sepenuhnya menutupi efek gesekan terhadap dinding pipa. dan terhadap pelat lubang.
Ini memang kasus untuk sebagian besar aplikasi aliran industri, jadi inilah yang pertama kali dipelajari siswa saat mereka mempelajari bagaimana aliran diukur. Sayangnya, ini sering menjadi satu-satunya persamaan yang dipelajari siswa Instrumentasi dua tahun berkaitan dengan pengukuran aliran.
Dalam situasi di mana bilangan Reynolds rendah, gesekan fluida menjadi faktor dominan dan persamaan “pelat orifice” standar tidak lagi berlaku. Di sini, P yang dihasilkan oleh fluida kental yang bergerak melalui pipa benar-benar bergantung terutama pada seberapa “tebal” fluida tersebut. Dan, seperti elektron yang bergerak melalui resistor dalam rangkaian listrik, penurunan tekanan di area gesekan berbanding lurus dengan laju aliran (ΔP Q untuk fluida, V I untuk elektron).
Inilah sebabnya mengapa flowmeters laminar – yang hanya berfungsi ketika bilangan Reynolds rendah – menghasilkan hubungan linier yang bagus antara P dan laju aliran dan oleh karena itu tidak memerlukan ekstraksi akar kuadrat dari sinyal P.
Baca Juga : Apakah Mudah Mengukur Aliran dan Volume Gas Alam?
Pengukur aliran ini, bagaimanapun, memerlukan kompensasi suhu (dan bahkan kontrol suhu dalam beberapa kasus) karena akurasi pengukuran aliran tergantung pada viskositas fluida, dan viskositas fluida bervariasi sesuai dengan suhu. Persamaan Hagen-Poiseuille yang menjelaskan laju aliran dan tekanan diferensial untuk aliran laminar (Re rendah) ditunjukkan di sini untuk perbandingan:
Di mana,
- Q = Laju aliran (galon per menit)
- k = Faktor konversi satuan = 7,86 ×105
- P = Penurunan tekanan (inci kolom air)
- D = Diameter pipa (inci)
- μ = Viskositas cairan (centipoise) – ini adalah variabel yang bergantung pada suhu!
- L = Panjang penampang pipa (inci)
Perhatikan bahwa jika dimensi pipa dan viskositas fluida dipertahankan konstan, hubungan antara aliran dan tekanan diferensial adalah proporsi langsung:
Pada kenyataannya, tidak ada yang namanya aliran tanpa gesekan (kecuali kasus super fluidic seperti helium II yang berada jauh di luar batas pengalaman normal), sama seperti tidak ada aliran tanpa massa (tidak ada inersia).
Dalam aplikasi normal akan selalu ada kedua efek di tempat kerja. Dengan tidak mempertimbangkan gesekan fluida untuk bilangan Reynolds tinggi dan tidak mempertimbangkan densitas fluida untuk bilangan Reynolds rendah, para insinyur menggambar model realitas yang disederhanakan yang memungkinkan kita untuk lebih mudah mengukur aliran fluida.
Persamaan Orifice Meter
Seperti di banyak bidang studi lainnya, kami menukar akurasi dengan kesederhanaan, presisi dengan kenyamanan. Masalah muncul ketika kita lupa bahwa kita telah melakukan pertukaran Faustian ini dan mengembara ke area di mana model sederhana kita tidak lagi masuk akal.
Mungkin hasil paling praktis dari semua ini bagi siswa Instrumentasi adalah menyadari dengan tepat mengapa dan bagaimana pelat orifice bekerja. Persamaan Bernoulli tidak memasukkan pertimbangan gesekan. Sebaliknya, kita harus menganggap fluida sepenuhnya tanpa gesekan agar konsepnya masuk akal.
Baca Juga : Pengukuran Aliran Kompensasi Suhu Tekanan
Ini menjelaskan beberapa hal:
Ada pemulihan tekanan di bagian hilir lubang: sebagian besar tekanan yang hilang di vena contracta diperoleh kembali lebih jauh di bagian hilir saat cairan melambat ke kecepatan aslinya (lambat). Penurunan tekanan permanen hanya akan terjadi jika ada energi yang hilang melalui penyempitan, seperti dalam kasus di mana gesekan fluida cukup besar. Dimana fluida tanpa gesekan tidak ada mekanisme dalam lubang untuk menghilangkan energi, dan dengan tidak ada energi yang hilang harus ada pemulihan tekanan penuh saat fluida kembali ke kecepatan aslinya.
Lokasi keran tekanan membuat perbedaan: untuk memastikan bahwa keran hilir benar-benar merasakan tekanan pada titik di mana fluida bergerak secara signifikan lebih cepat daripada hulu (“vena contracta”), dan tidak hanya di mana saja di hilir orifice. Jika penurunan tekanan disebabkan oleh gesekan saja, itu akan permanen dan lokasi keran hilir tidak akan begitu kritis.
Pelat orifice standar memiliki ujung pisau di sisi hulunya: untuk meminimalkan area kontak (titik gesekan) dengan aliran berkecepatan tinggi.
Perhatian harus diberikan untuk memastikan bilangan Reynolds cukup tinggi untuk memungkinkan penggunaan pelat orifice: jika tidak, hubungan Q/ΔP linier untuk aliran viskos akan menegaskan dirinya sendiri bersama dengan hubungan potensial kuadrat/energi kinetik, menyebabkan Q/ Hubungan P menjadi polinomial daripada kuadrat murni, dan dengan demikian merusak akurasi pengukuran.
Panjang pipa hulu yang cukup diperlukan untuk mengkondisikan aliran untuk pengukuran pelat orifice, bukan untuk membuatnya “laminar” seperti yang diyakini secara populer (dan salah), tetapi untuk memungkinkan turbulensi alami untuk “meratakan” profil aliran untuk kecepatan yang seragam. Aliran laminar adalah sesuatu yang hanya terjadi ketika gaya viskos menutupi gaya inersia (misalnya aliran pada bilangan Reynolds rendah), dan sama sekali berbeda dari aliran turbulen yang berkembang penuh yang dibutuhkan pelat orifice untuk pengukuran yang akurat.
Baca Juga : Definisi Flow Meter Berdasarkan Jenisnya
Kesimpulan Fakta Tentang Orifice Flow Meter
dari artikel yang sudah kami bahas diatas, yaitu “Fakta Tentang Orifice Flow Meter” dapat ditarik kesimpulan yaitu Dalam pengertian yang lebih umum, pelajaran yang harus kita pelajari di sini adalah bahwa keyakinan buta bukanlah pengganti pemahaman, dan bahwa rasa bingung atau tidak setuju selama proses pembelajaran merupakan tanda dari satu atau lebih kesalahpahaman yang perlu dikoreksi. Jika Anda menemukan diri Anda tidak setuju dengan apa yang diajarkan kepada Anda, Anda membuat kesalahan dan/atau guru Anda salah.
Mengejar pertanyaan Anda sampai akhir yang logis adalah kunci penemuan, sementara membuat lompatan keyakinan (hanya mempercayai apa yang diperintahkan) adalah tindakan penghindaran: melarikan diri dari ketidaknyamanan kebingungan dan ketidakpastian dengan mengorbankan pengalaman belajar yang lebih dalam. Ini adalah pertukaran yang tidak pernah dirasakan siswa harus mereka lakukan.
Referensi : instrumentationtools.com
