Categories: Articles

Instrumentasi Level Displacement dan Displacer

Instrumentasi Level Displacement dan Displacer yang dimana level displacer memanfaatkan Prinsip Archimedes untuk mendeteksi level cairan dengan terus mengukur berat objek (disebut displacer) yang direndam dalam cairan proses. Ketika level cairan meningkat, displacer mengalami gaya apung yang lebih besar, sehingga tampak lebih ringan pada instrumen penginderaan, yang menafsirkan hilangnya berat sebagai peningkatan level dan mentransmisikan sinyal keluaran yang proporsional.

Instrumen gaya apung (Buoyant-force instruments)

Dalam praktiknya, instrumen level pemindah biasanya berbentuk sebagai berikut. Proses pemipaan masuk dan keluar dari bejana telah dihilangkan untuk penyederhanaan – hanya bejana dan instrumen level pemindahan yang ditampilkan:

Buoyant-force instruments

Displacer itu sendiri biasanya berupa tabung logam tertutup, dengan bobot yang cukup sehingga tidak dapat mengapung dalam cairan proses. Tabung ini menggantung di dalam pipa yang disebut “sangkar” yang terhubung ke bejana proses melalui dua katup blok dan nosel. Kedua sambungan pipa ini memastikan level cairan di dalam sangkar sesuai dengan level cairan di dalam bejana proses, seperti halnya sebuah teropong.

Jika level cairan di dalam bejana proses naik, level cairan di dalam sangkar akan naik untuk menyesuaikan. Hal ini akan menenggelamkan lebih banyak volume pemindah, menyebabkan gaya apung diberikan ke atas pada pemindah. Ingatlah bahwa pemindah terlalu berat untuk mengapung, sehingga tidak “terapung” di permukaan cairan dan juga tidak naik dalam jumlah yang sama dengan ketinggian cairan – sebaliknya, pemindah menggantung di tempatnya di dalam sangkar, menjadi “lebih ringan” seiring dengan meningkatnya gaya apung. Mekanisme penginderaan berat mendeteksi gaya apung ini ketika merasakan perpindahan menjadi lebih ringan, menginterpretasikan penurunan berat (semu) sebagai peningkatan level cairan. Berat semu pemindahan mencapai minimum ketika terendam sepenuhnya, ketika cairan proses telah mencapai titik 100% di dalam sangkar.

Baca Juga : Prinsip Kerja Capacitance Level Switch

Perlu dicatat bahwa tekanan statis di dalam bejana akan memiliki efek yang dapat diabaikan pada akurasi instrumen pemindah. Satu-satunya faktor yang penting adalah densitas fluida proses, karena gaya apung berbanding lurus dengan densitas fluida.

Foto berikut ini menunjukkan pemancar pneumatik model Fisher “Level-Trol” yang mengukur tingkat kondensat dalam drum knockout untuk layanan gas alam. Instrumen itu sendiri tampak di sisi kanan foto, di atasnya terdapat “kepala” berwarna abu-abu dengan dua pengukur tekanan pneumatik yang terlihat. “Sangkar” pemindah adalah pipa vertikal tepat di belakang dan di bawah head unit. Perhatikan bahwa pengukur level sightglass muncul di sisi kiri ruang knockout (atau boot kondensat) untuk indikasi visual level kondensat di dalam bejana proses:

Leveltrol

Tujuan dari instrumen pemindah khusus ini adalah untuk mengukur jumlah cairan kondensat yang terkumpul di dalam “boot”. Model Fisher Level-Trol ini dilengkapi dengan mekanisme pengontrol pneumatik yang mengirimkan sinyal tekanan udara ke katup pembuangan untuk secara otomatis mengalirkan kondensat keluar dari boot.

Dua foto instrumen pemindah Level-Trol yang telah dibongkar ditampilkan di sini, yang menunjukkan bagaimana pemindah masuk ke dalam pipa sangkar:

Level-Trol displacer

Pipa sangkar disambungkan ke bejana proses melalui dua katup blok, memungkinkan isolasi dari proses. Katup pembuangan memungkinkan sangkar dikosongkan dari cairan proses untuk servis instrumen dan kalibrasi nol.

Beberapa sensor level tipe displacer tidak menggunakan sangkar, melainkan menggantungkan elemen displacer secara langsung di bejana proses. Ini disebut sensor “tanpa sangkar”. Instrumen tanpa sangkar tentu saja lebih sederhana daripada instrumen bergaya sangkar, tetapi tidak dapat diservis tanpa menghilangkan tekanan (dan bahkan mungkin mengosongkan) bejana proses tempat instrumen tersebut berada. Instrumen ini juga rentan terhadap kesalahan pengukuran dan “noise” jika cairan di dalam bejana teraduk, baik oleh kecepatan aliran yang tinggi masuk dan keluar bejana, atau oleh aksi impeler yang diputar motor yang dipasang di dalam bejana untuk memberikan pencampuran cairan proses secara menyeluruh.

Baca Juga : Definisi, Prinsip Kerja, dan Kelebihan Water Level Meter

Kalibrasi rentang penuh dapat dilakukan dengan membanjiri sangkar dengan cairan proses (kalibrasi basah), atau dengan menggantung pemindah dengan tali dan timbangan yang tepat (kalibrasi kering), menarik pemindah ke atas dengan jumlah yang tepat untuk mensimulasikan daya apung pada tingkat cairan 100%:

Full-range calibration Displacer

Perhitungan gaya apung ini adalah hal yang sederhana. Menurut Prinsip Archimedes, gaya apung selalu sama dengan berat volume fluida yang dipindahkan. Dalam kasus instrumen level berbasis pemindah pada jangkauan penuh, ini biasanya berarti seluruh volume elemen pemindah terendam dalam cairan. Cukup hitung volume pemindah (jika berupa silinder, dengan jari-jari silinder dan panjang silinder) dan kalikan volume tersebut dengan massa jenis :

Perhitungan gaya apung

Sebagai contoh, jika kerapatan berat fluida proses adalah 57,3 pon per kaki kubik dan pemindahnya adalah silinder berdiameter 3 inci dan panjang 24 inci, gaya yang diperlukan untuk mensimulasikan kondisi daya apung pada tingkat penuh dapat dihitung sebagai berikut:

mensimulasikan kondisi daya apung pada tingkat penuh dapat dihitung

Perhatikan, betapa pentingnya menjaga konsistensi satuan! Kepadatan cairan diberikan dalam satuan pound per kaki kubik dan dimensi pemindahan dalam inci, yang akan menyebabkan masalah serius tanpa konversi antara kaki dan inci. Dalam contoh pekerjaan saya, saya memilih untuk mengonversi densitas ke dalam satuan pon per inci kubik, tetapi saya bisa saja dengan mudah mengonversi dimensi pemindah ke dalam satuan kaki untuk mendapatkan volume pemindah dalam satuan kaki kubik.

Baca Juga : Cara Menggunakan Sound Level Meter

Dalam kalibrasi “basah”, gaya apung 5,63 pon akan diciptakan oleh cairan itu sendiri, teknisi memastikan ada cukup cairan di dalam sangkar untuk mensimulasikan kondisi level 100%. Dalam kalibrasi “kering”, gaya apung akan disimulasikan dengan tegangan yang diberikan ke atas pada displacer dengan timbangan tangan dan tali, teknisi menarik dengan gaya ke atas sebesar 5,63 pon untuk membuat instrumen “mengira” bahwa ia merasakan level cairan 100% padahal sebenarnya displacer benar-benar kering, menggantung di udara.

Tabung torsi

Masalah desain yang menarik untuk pemancar level tipe perpindahan adalah bagaimana mentransfer berat yang dirasakan dari perpindahan ke mekanisme pemancar sambil menyegel tekanan uap proses secara positif dari mekanisme yang sama. Solusi yang paling umum untuk masalah ini adalah mekanisme cerdik yang disebut tabung torsi. Sayangnya, tabung torsi bisa jadi agak sulit untuk dipahami kecuali Anda memiliki akses langsung ke tabung torsi, sehingga bagian ini akan mengeksplorasi konsep ini secara lebih rinci daripada yang biasanya tersedia dalam manual referensi.

Baca Juga : Definisi, Cara Kerja, dan Aplikasi Radiation Level Meter

Bayangkan sebuah batang logam yang kokoh, horizontal, dengan flens di salah satu ujungnya dan tuas tegak lurus di ujung lainnya. Flensa dipasang pada permukaan yang tidak bergerak, dan sebuah pemberat digantungkan pada ujung tuas. Lingkaran garis putus-putus menunjukkan di mana batang dilas ke bagian tengah flensa:

Tabung Torsi

Gaya ke bawah dari beban yang bekerja pada tuas memberikan gaya puntir (torsi) pada batang, menyebabkannya sedikit terpuntir di sepanjang batang. Semakin banyak beban yang digantungkan pada ujung tuas, semakin banyak batang yang terpuntir. Selama torsi yang diberikan oleh beban dan tuas tidak pernah melebihi batas elastisitas batang, maka batang akan terus berfungsi sebagai pegas. Jika kita mengetahui “konstanta pegas” batang, dan mengukur defleksi puntirannya, kita sebenarnya dapat menggunakan gerakan kecil ini untuk mengukur besarnya beban yang digantung di ujung tuas.

Diterapkan pada instrumen level tipe displacer, displacer menggantikan pemberat pada ujung tuas, defleksi torsional batang ini berfungsi untuk mengindikasikan gaya apung. Saat cairan naik, gaya apung pada displacer meningkat, membuat displacer tampak lebih ringan dari sudut pandang batang. Gerakan kecil batang yang dihasilkan dari perubahan berat yang tampak ini, kemudian, mengindikasikan level cairan.

Baca Juga : Jenis dan Teknologi Servo Operated Float Level

Sekarang, bayangkan mengebor lubang panjang melalui batang, memanjang, yang hampir mencapai ujung tempat tuas terpasang. Dengan kata lain, bayangkan sebuah lubang buta melalui bagian tengah batang, mulai dari flens dan berakhir tepat di dekat tuas:

lubang buta yang dibor

Kehadiran lubang panjang ini tidak banyak mengubah perilaku rakitan, kecuali mungkin mengubah konstanta pegas batang. Dengan logam yang lebih sedikit, batang akan menjadi pegas yang lebih lemah, dan akan terpuntir ke tingkat yang lebih besar dengan beban yang diberikan pada ujung tuas. Yang lebih penting untuk tujuan diskusi ini, lubang panjang mengubah batang menjadi tabung dengan ujung tertutup. Alih-alih menjadi “batang torsi,” batang sekarang lebih tepat disebut tabung torsi, yang berputar sedikit demi sedikit dengan beban yang diberikan pada ujung tuas.

Baca Juga : Definisi, Prinsip Kerja, dan Aplikasi Sight Glass Level Meter

Untuk memberikan dukungan vertikal pada tabung torsi agar tidak melorot ke bawah dengan beban yang diberikan, bantalan ujung pisau pendukung sering ditempatkan di bawah ujung tuas yang menempel pada tabung torsi. Tujuan dari titik tumpu ini adalah untuk memberikan dukungan vertikal untuk beban sekaligus membentuk titik poros yang hampir tanpa gesekan, memastikan satu-satunya tekanan yang diterapkan pada tabung torsi adalah torsi dari tuas:

knife-edge bearing

Terakhir, bayangkan batang logam padat lainnya (diameter sedikit lebih kecil daripada lubang) yang dilas di tempat ke ujung lubang buta, memanjang di luar ujung flensa:

batang logam padat lainnya

Tujuan dari batang berdiameter lebih kecil ini adalah untuk mentransfer gerakan memutar dari ujung tabung torsi yang jauh ke suatu titik yang melewati flens di mana gerakan tersebut dapat dirasakan. Bayangkan flensa ditambatkan ke dinding vertikal, sementara beban variabel menarik ke bawah di ujung tuas. Tabung torsi akan melentur dalam gerakan memutar dengan gaya variabel, tetapi sekarang kita dapat melihat seberapa besar puntirannya dengan mengamati rotasi batang yang lebih kecil di sisi dekat dinding. Beban dan tuas mungkin sepenuhnya tersembunyi dari pandangan kita oleh dinding ini, tetapi gerakan puntiran batang kecil tetap mengungkapkan seberapa besar tabung torsi menghasilkan gaya beban.

Baca Juga : Definisi, Prinsip Kerja, dan Batasan Magnetic Level Indicator

Kita dapat menerapkan mekanisme tabung torsi ini untuk tugas mengukur level cairan dalam bejana bertekanan dengan mengganti pemberat dengan pemindah, memasang flensa ke nosel yang dilas ke bejana, dan menyelaraskan perangkat penginderaan gerak dengan ujung batang kecil untuk mengukur putarannya. Saat level cairan naik dan turun, berat yang terlihat dari pemindah bervariasi, menyebabkan tabung torsi sedikit terpuntir. Gerakan sedikit puntiran ini kemudian dirasakan pada ujung batang kecil, di lingkungan yang terisolasi dari tekanan fluida proses.

Foto yang diambil dari tabung torsi nyata dari pemancar level Fisher “Level-Trol” menunjukkan tampilan luarnya:

Fisher Level-Trol

Logam berwarna gelap adalah baja elastis yang digunakan untuk menangguhkan beban dengan bertindak sebagai pegas puntir, sedangkan bagian yang mengilap adalah batang bagian dalam yang digunakan untuk mentransfer gerakan. Seperti yang bisa Anda lihat, tabung torsi itu sendiri tidak terlalu lebar diameternya. Seandainya iya, pegas ini akan terlalu kaku untuk digunakan secara praktis pada instrumen level tipe displacer, karena displacer biasanya tidak terlalu berat, dan tuasnya tidak panjang.

Baca Juga : Klasifikasi dan Prinsip Kerja Mechanical Level Indicator

Dengan melihat lebih dekat pada setiap ujung tabung torsi, akan terlihat ujung terbuka tempat batang berdiameter kecil menonjol (atas) dan ujung “buta” tabung yang menempel pada tuas (bawah):

Fisher Level-Trol

Jika kita mengiris rakitan tabung torsi menjadi dua, secara memanjang, penampangnya akan terlihat seperti ini:

tabung torsi

Ilustrasi berikut ini menunjukkan tabung torsi sebagai bagian dari pemancar level gaya perpindahan secara keseluruhan:

Ilustrasi Tabung Torsi

Seperti yang dapat Anda lihat dari ilustrasi ini, tabung torsi memiliki tiga tujuan berbeda saat diterapkan pada aplikasi pengukuran level tipe displacer: (1) berfungsi sebagai pegas puntir yang menahan berat displacer, (2) untuk menutup tekanan fluida proses dari mekanisme penginderaan posisi, dan (3) untuk memindahkan gerakan dari ujung tabung torsi ke dalam mekanisme penginderaan.

Baca Juga : Definisi, Cara Kerja, dan Jenis Level Switch

Pada pemancar level pneumatik, mekanisme penginderaan yang digunakan untuk mengubah gerakan memutar tabung torsi menjadi sinyal pneumatik (tekanan udara) biasanya menggunakan desain keseimbangan gerak. Mekanisme Fisher Level-Trol, misalnya, menggunakan tabung bourdon berbentuk C dengan nosel di ujungnya untuk mengikuti penyekat yang dipasang pada batang kecil. Bagian tengah tabung bourdon sejajar dengan bagian tengah tabung torsi. Saat batang berputar, penyekat bergerak maju ke arah nosel di ujung tabung bourdon, menyebabkan tekanan balik naik, yang pada gilirannya menyebabkan tabung bourdon melentur. Pelenturan ini menarik nosel menjauh dari penyekat yang bergerak maju sampai kondisi seimbang. Oleh karena itu, gerakan batang diimbangi oleh gerakan tabung bourdon, menjadikannya sistem pneumatik keseimbangan gerak:

sistem pneumatik keseimbangan gerak

Pengukuran tingkat antarmuka perpindahan (Displacement)

Instrumen level displacer dapat digunakan untuk mengukur antarmuka cair-cair sama seperti instrumen tekanan hidrostatik. Salah satu persyaratan penting adalah bahwa displacer harus selalu terendam penuh (“banjir”). Jika aturan ini dilanggar, instrumen tidak akan dapat membedakan antara level cairan (total) yang rendah dan level antarmuka yang rendah. Kriteria ini analog dengan penggunaan instrumen tekanan diferensial kaki kompensasi untuk mengukur level antarmuka cair-cair: agar instrumen hanya merespons perubahan level antarmuka dan tidak “tertipu” oleh perubahan level cairan total, kedua titik koneksi proses harus terendam.

Baca Juga : Terminologi Pengukuran Level

Jika instrumen pemindah memiliki “sangkar” sendiri, maka kedua pipa yang menghubungkan sangkar ke bejana proses (kadang-kadang disebut “nozel”) harus terendam. Hal ini memastikan antarmuka cairan di dalam sangkar sesuai dengan antarmuka di dalam bejana. Jika nosel atas menjadi kering, masalah yang sama dapat terjadi pada instrumen pemindah sangkar seperti halnya pada pengukur level “sightglass” (lihat bagian [interface_trouble] di awal halaman untuk penjelasan rinci tentang masalah ini).

Menghitung gaya apung pada elemen pemindah akibat kombinasi dua cairan tidaklah sesulit kedengarannya. Prinsip Archimedes masih berlaku: gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Yang perlu kita lakukan adalah menghitung berat dan volume gabungan dari cairan yang dipindahkan untuk menghitung gaya apung. Untuk cairan tunggal, gaya apung sama dengan massa jenis cairan tersebut dikalikan dengan volume yang dipindahkan :

Formula gaya apung pada elemen pemindah

Untuk antarmuka dua cairan, gaya apung sama dengan jumlah dari dua berat cairan yang dipindahkan, setiap istilah berat cairan sama dengan densitas berat cairan tersebut dikalikan dengan volume cairan yang dipindahkan:

Formula gaya apung pada elemen pemindah

Dengan mengasumsikan pemindahan dengan luas penampang konstan di sepanjang panjangnya, volume untuk setiap perpindahan cairan sama dengan luas yang sama dikalikan dengan panjang pemindahan yang terendam dalam cairan tersebut:

pemindahan dengan luas penampang konstan

Menentukan titik kalibrasi instrumen level tipe displacer untuk aplikasi antarmuka relatif mudah jika kondisi LRV dan URV diperiksa sebagai sepasang “eksperimen pemikiran” seperti yang kita lakukan dengan pengukuran level antarmuka hidrostatis. Pertama, kita membayangkan seperti apa kondisi displacer akan “terlihat” dengan antarmuka pada nilai kisaran bawah, kemudian kita membayangkan skenario yang berbeda dengan antarmuka pada nilai kisaran atas. Dianjurkan untuk membuat sketsa ilustrasi dari setiap skenario agar lebih jelas.

Baca Juga : Definisi dan Cara Kerja Radar Level Meter

Misalkan kita memiliki instrumen pemindah yang mengukur tingkat antarmuka antara dua cairan yang memiliki gravitasi spesifik 0,850 dan 1,10, dengan panjang pemindah 30 inci dan diameter pemindah 2,75 inci (jari-jari = 1,375 inci). Mari kita asumsikan lebih lanjut bahwa LRV dalam kasus ini adalah di mana antarmuka berada di bagian bawah pemindah dan URV adalah di mana antarmuka berada di bagian atas pemindah. Penempatan level antarmuka LRV dan URV di ujung ekstrem dari panjang displacer menyederhanakan perhitungan LRV dan URV kami, karena “percobaan pemikiran” LRV hanya akan menjadi displacer yang benar-benar terendam dalam cairan ringan dan “percobaan pemikiran” URV hanya akan menjadi displacer yang benar-benar terendam dalam cairan berat.

Penempatan level antarmuka LRV dan URV

Baca Juga : Pengaruh Desain Tangki Terhadap Akurasi Level Meter

Kesimpulan

dari artikel yang telah kami paparkan diatas, yaitu “Instrumentasi Level Displacement dan Displacer” dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

  • Instrumentasi Level Displacement dan Displacer yang dimana level displacer memanfaatkan Prinsip Archimedes untuk mendeteksi level cairan dengan terus mengukur berat objek (disebut displacer) yang direndam dalam cairan proses.
  • Masalah desain yang menarik untuk pemancar level tipe perpindahan adalah bagaimana mentransfer berat yang dirasakan dari perpindahan ke mekanisme pemancar sambil menyegel tekanan uap proses secara positif dari mekanisme yang sama. Solusi yang paling umum untuk masalah ini adalah mekanisme cerdik yang disebut tabung torsi.
  • Instrumen level displacer dapat digunakan untuk mengukur antarmuka cair-cair sama seperti instrumen tekanan hidrostatik. Salah satu persyaratan penting adalah bahwa displacer harus selalu terendam penuh (“banjir”).

Referensi : control.com

Naufal

a member of SEO Team at Wiratama Mitra Abadi. He loves to learn something new everyday.