Flow Measurement

Apa itu Turbine Flow Meter?

Apa itu Turbine Flow Meter? Bagaimana Cara Kerjanya? dan Aplikasi yang sesuai dengan cara kerjanya dan di tempat yang seperti apa? mungkin itu adalah beberapa pertanyaan yang sering kali di pertanyakan, disini kami akan membahas dengan lengkap tentang Turbine Flow Meter.

Jadi, Turbine Flow Meter memiliki atau menggunakan roda pada turbin yang berputar bebas untuk mengukur kecepatan fluida (Flow Rate), seperti kincir angin mini yang dipasang di setiap aliran. Tujuan dasar dari pengukur aliran turbin adalah untuk membuat elemen turbin yang berputar sebebas mungkin, sehingga tidak ada torsi yang diperlukan untuk mempertahankan putaran turbin.

Baca Juga: Karakteristik Instrumen Statis dan Dinamis

Jika tujuan ini tercapai, baling baling turbin akan mencapai kecepatan putar (ujung) yang berbanding lurus dengan kecepatan linier fluida, apakah fluida itu gas atau cair:

Prinsip Kerja Turbine Flow Meter

Hubungan matematis antara kecepatan fluida dan kecepatan ujung turbin – dengan asumsi kondisi tanpa gesekan – adalah rasio yang ditentukan oleh tangen sudut sudu turbin:

Perhitungan Turbine Flow Meter

Untuk sudut sudu 45 derajat, Rasionya adalah 1:1, dengan kecepatan ujung sama dengan kecepatan fluida. Sudut sudu yang lebih kecil (setiap sudu lebih dekat ke paralel dengan vektor kecepatan fluida) menghasilkan kecepatan ujung menjadi proporsi fraksional dari kecepatan fluida.

Baca Juga : Tips Memilih Flow Meter Agar Sesuai Dengan Kebutuhan Anda

Kecepatan ujung turbin cukup mudah untuk dirasakan menggunakan sensor magnetik, menghasilkan pulsa tegangan setiap kali salah satu bilah turbin feromagnetik lewat. Secara tradisional, sensor ini tidak lebih dari sebuah gulungan kawat di dekat magnet stasioner, yang disebut kumparan pickup atau kumparan pick-off karena “mengambil” (merasakan) lewatnya bilah turbin.

Magnetic Flux melalui pusat koil meningkat dan menurun saat bilah turbin baja yang lewat memberikan keengganan yang bervariasi (“resistensi” terhadap fluks magnet), menyebabkan pulsa tegangan sama dalam frekuensi dengan jumlah bilah yang lewat setiap detik. Ini adalah frekuensi sinyal ini yang mewakili kecepatan aliran fluida, dan karena itu laju aliran volumetrik.

Konstruksi Turbine Flow Meter

Sebuah model demonstrasi cut-away dari flow meter turbin ditunjukkan pada foto berikut. Sensor bilah mungkin terlihat menonjol dari bagian atas tabung aliran, tepat di atas roda turbin:

Turbine Flow Meter Parts

Perhatikan set baling-baling “pengkondisi aliran” segera sebelum dan sesudah roda turbin di foto. Seperti yang diharapkan, meter aliran turbin sangat sensitif terhadap pusaran dalam aliran aliran fluida proses.

Untuk mencapai akurasi yang tinggi, profil aliran tidak boleh berputar-putar di sekitar turbin, agar roda turbin tidak berputar lebih cepat atau lebih lambat dari yang seharusnya untuk mewakili kecepatan fluida yang mengalir lurus. Panjang pipa lurus minimum 20 diameter pipa di hulu dan 5 diameter pipa di hilir adalah tipikal untuk meter aliran turbin untuk menghilangkan pusaran dari gangguan perpipaan.

Roda gigi mekanis dan kabel yang berputar juga telah digunakan secara historis untuk menghubungkan roda turbin pengukur aliran turbin ke indikator. Desain ini mengalami gesekan yang lebih besar daripada desain elektronik (“pickup coil”), yang berpotensi menghasilkan lebih banyak kesalahan pengukuran (lebih sedikit aliran yang ditunjukkan daripada yang sebenarnya, karena roda turbin diperlambat oleh gesekan).

Baca Juga: Perbedaan Antara Kabel Optik dan Coaxial

Namun, satu keuntungan meter aliran turbin mekanis adalah kemampuan untuk mempertahankan total penggunaan gas yang berjalan dengan memutar penghitung gaya odometer sederhana. Desain ini sering digunakan ketika tujuan flow meter adalah untuk melacak total konsumsi bahan bakar gas (misalnya gas alam yang digunakan oleh fasilitas komersial atau industri) untuk penagihan.

Dalam flow meter turbin elektronik, aliran volumetrik berbanding lurus dan linier dengan frekuensi keluaran koil pickup. Kita dapat menyatakan hubungan ini dalam bentuk persamaan:

Perhitungan Turbine Flow Meter

Di mana,
f = Frekuensi sinyal keluaran (Hz, setara dengan pulsa per detik)
Q = Laju aliran volumetrik (misalnya galon per detik)
k = faktor “K” dari elemen turbin (misalnya pulsa per galon)

Baca Juga : Apa itu Electromagnetic Flow Meter?

Analisis dimensi menegaskan validitas persamaan ini. Menggunakan satuan GPS (galon per detik) dan pulsa per galon, kita melihat bahwa produk dari dua kuantitas ini memang pulsa per detik (setara dengan siklus per detik, atau Hz):

Perhitungan Turbine Flow Meter

Menggunakan aljabar untuk menyelesaikan aliran (Q), kita melihat bahwa hasil bagi frekuensi dan faktor k yang menghasilkan laju aliran volumetrik untuk flow meter turbin:

Perhitungan Turbine Flow Meter

Linieritas yang melekat pada flow meter turbin adalah keuntungan luar biasa dibandingkan elemen aliran nonlinier seperti tabung venturi dan pelat orifice karena linearitas ini menghasilkan rasio turndown yang jauh lebih besar untuk pengukuran aliran yang akurat.

Dibandingkan dengan meter tipe orifice umum yang biasanya terbatas pada rasio turndown terbaik 4:1, meter turbin biasanya melebihi rasio turndown 10:1.

Jika frekuensi sinyal pickup secara langsung mewakili laju aliran volumetrik, maka jumlah total pulsa yang terakumulasi dalam rentang waktu tertentu akan mewakili jumlah volume fluida (V) yang melewati meter turbin selama rentang waktu yang sama.

Kita dapat menyatakan ini secara aljabar sebagai produk dari laju aliran rata-rata (Q), frekuensi rata-rata (f), faktor k, dan waktu:

Perhitungan Turbine Flow Meter

Cara yang lebih canggih untuk menghitung volume total yang melewati meter turbin memerlukan kalkulus, yang mewakili perubahan volume sebagai integral waktu dari frekuensi sinyal sesaat dan faktor k selama periode waktu dari t = 0 hingga t = T:

Perhitungan Turbine Flow Meter

Kita dapat mencapai hasil yang kurang lebih sama hanya dengan menggunakan rangkaian penghitung digital untuk menjumlahkan output pulsa oleh koil pickup dan mikroprosesor untuk menghitung volume dalam unit pengukuran apa pun yang kita anggap tepat.

Baca Juga : Apa itu Ultrasonic Flow Meter

Seperti elemen aliran pelat orifice, standar telah dirancang untuk penggunaan flowmeter turbin sebagai instrumen pengukuran presisi dalam aplikasi aliran gas, khususnya transfer tahanan gas alam.

American Gas Association telah menerbitkan standar yang disebut Laporan #7 yang menetapkan pemasangan pengukur aliran turbin untuk pengukuran aliran gas dengan akurasi tinggi, bersama dengan matematika terkait untuk menghitung laju aliran secara tepat berdasarkan kecepatan turbin, tekanan gas, dan suhu gas.

Kompensasi tekanan dan suhu relevan dengan meter aliran turbin dalam aplikasi aliran gas karena densitas gas merupakan fungsi kuat dari tekanan dan suhu. Roda turbin itu sendiri hanya merasakan kecepatan gas, sehingga faktor-faktor lain ini harus dipertimbangkan untuk menghitung aliran massa secara akurat (atau aliran volumetrik standar; misalnya SCFM).

Dalam aplikasi akurasi tinggi, penting untuk secara individual menentukan faktor k untuk kalibrasi pengukur aliran turbin. Variasi manufaktur dari flow meter ke flow meter membuat duplikasi presisi faktor k menjadi sulit, sehingga pengukur aliran yang ditujukan untuk pengukuran akurasi tinggi harus diuji terhadap “penguji aliran” di laboratorium kalibrasi untuk menentukan faktor k secara empiris.

Jika memungkinkan, cara terbaik untuk menguji faktor k pengukur aliran adalah dengan menghubungkan pengukur ke pengukur di lokasi yang akan digunakan. Dengan cara ini, setiap efek akibat pemipaan sebelum dan sesudah flowmeter akan dimasukkan ke dalam faktor k yang diukur.

Akurasi

Akurasi Turbine Flow Meter

Gambar diatas menunjukkan kurva kalibrasi turbin-meter tipikal yang menggambarkan hubungan antara aliran dan faktor-K (pulsa/galon). Keakuratan pengukur turbin biasanya diberikan dalam persentase laju aktual (% AR). Meter khusus ini memiliki pita toleransi linearitas ±0,25% pada rentang aliran 10:1 dan linearitas ±0,15% pada rentang 6:1. Pengulangannya adalah dari ±0,2% hingga ±0,02% pada rentang linier.

Ukuran dan Pemilihannya

Meter turbin harus berukuran sedemikian rupa sehingga aliran rata-rata yang diharapkan adalah antara 60% dan 75% dari kapasitas maksimum meter. Jika pipa terlalu besar (dengan kecepatan aliran di bawah 1 kaki/detik), seseorang harus memilih pick-up efek Hall dan menggunakan meteran yang lebih kecil dari ukuran saluran. Kecepatan aliran di bawah 1 ft/detik bisa jadi tidak mencukupi, sementara kecepatan lebih dari 10 ft/detik dapat mengakibatkan keausan yang berlebihan. Sebagian besar pengukur turbin dirancang untuk kecepatan maksimum 30 kaki/detik.

Pengukur aliran turbin harus berukuran antara 3 dan 5 psid penurunan tekanan pada aliran maksimum. Karena penurunan tekanan meningkat dengan kuadrat laju aliran, mengurangi meteran ke ukuran yang lebih kecil berikutnya akan meningkatkan penurunan tekanan secara signifikan.

Viskositas mempengaruhi akurasi dan linearitas pengukur turbin. Oleh karena itu, penting untuk mengkalibrasi meteran untuk fluida spesifik yang dimaksudkan untuk diukur. Pengulangan umumnya tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan viskositas, dan pengukur turbin sering kali digunakan untuk mengontrol cairan yang mengalir dengan karakteristik yang kental. Umumnya, pengukur turbin bekerja dengan baik jika Bilangan Reynolds lebih besar dari 4.000 dan kurang dari atau sama dengan 20.000.

Karena mempengaruhi viskositas, variasi suhu juga dapat mempengaruhi akurasi dan harus dikompensasi atau dikontrol. Suhu pengoperasian pengukur turbin berkisar antara -200 hingga 450°C (-328 hingga 840°F).

Perubahan massa jenis tidak terlalu memengaruhi pengukur turbin. Pada cairan dengan densitas rendah (SG <0,7), laju aliran minimum meningkat karena torsi yang berkurang, tetapi akurasi meter biasanya tidak terpengaruh.

Turbin Gas dan Pengukur Shunt

Pengukur gas mengimbangi torsi penggerak yang lebih rendah yang dihasilkan oleh kepadatan gas yang relatif rendah. Kompensasi ini diperoleh dengan hub rotor yang sangat besar, rakitan rotor yang sangat ringan, dan jumlah bilah rotor yang lebih banyak. Pengukur turbin aliran gas tersedia dari 2 “hingga 12” dan dengan peringkat aliran hingga 150.000 ft3 / jam. Saat beroperasi pada tekanan gas tinggi (1.400 psig), jangkauan 100:1 dapat diperoleh dalam meter ukuran yang lebih besar. Dalam kondisi tekanan yang lebih rendah, jangkauan tipikal adalah 20:1 dengan linearitas ± 1%. Persyaratan minimum jalur pipa lurus hulu adalah 20 diameter pipa.

Pengukur aliran shunt digunakan dalam layanan gas dan uap. Mereka terdiri dari lubang di jalur utama dan rakitan rotor di bypass. Pengukur ini tersedia dalam ukuran 2 inci dan lebih besar serta akurat hingga ± 2% pada kisaran 10:1.

Pengukur Aliran Perputaran Lainnya

Jenis lain dari pengukur aliran elemen putar termasuk baling-baling (impeller), shunt, dan desain roda dayung.

Pengukur baling-baling biasanya digunakan dalam sistem irigasi dan distribusi air berdiameter besar (lebih dari 4″). Trade-off utama mereka adalah biaya rendah dan akurasi rendah. Standar AWWA C-704 menetapkan kriteria akurasi untuk pengukur baling-baling sebesar 2% dari pembacaan. Pengukur baling-baling memiliki kemampuan jangkauan sekitar 4:1 dan menunjukkan kinerja yang sangat buruk jika kecepatan turun di bawah 1,5 ft/detik. Sebagian besar pengukur baling-baling dilengkapi dengan register mekanis. Persyaratan keausan, pelurusan, dan pengkondisian mekanis sama seperti untuk meter turbin.

Impeller & Paddlewheel Flow Meter

Paddlewheel Flow Meter menggunakan rotor yang sumbu rotasinya sejajar dengan arah aliran. Sebagian besar pengukur kincir memiliki rotor berbilah datar dan pada dasarnya memiliki dua arah. Namun, beberapa produsen menggunakan rotor bengkok yang hanya berputar ke arah depan. Untuk pipa yang lebih kecil (1/2 “hingga 3”), meteran ini hanya tersedia dengan kedalaman penyisipan tetap, sedangkan untuk ukuran pipa yang lebih besar (4 “hingga 48”) tersedia kedalaman penyisipan yang dapat disesuaikan. Penggunaan pick-up yang digabungkan secara kapasitif atau sensor efek Hall memperluas jangkauan meteran roda kincir ke dalam wilayah kecepatan aliran rendah 0,3 kaki / detik.

Pengukur aliran rendah (biasanya lebih kecil dari 1 inci) memiliki lubang jet kecil yang memproyeksikan fluida ke roda Pelton. Memvariasikan diameter dan bentuk lubang jet sesuai dengan rentang aliran yang diperlukan dan memberikan pengukur aliran yang akurat hingga 1% FS dan memiliki kemampuan jangkauan 100:1. Akurasi yang lebih tinggi dapat dicapai dengan mengkalibrasi pengukur dan dengan menurunkan jangkauannya. Karena ukuran lubang jet yang kecil, pengukur ini hanya dapat digunakan pada cairan bersih dan mengalami penurunan tekanan sekitar 20 psid. Bahan-bahan konstruksi termasuk polipropilena, PVDF, TFE dan PFA, kuningan, aluminium, dan baja tahan karat.

Baca Juga : Definisi, Jenis, dan Aplikasi Mechanical Flow Meter

Kesimpulan

Turbine Flow Meter menggunakan roda pada turbin yang berputar bebas untuk mengukur kecepatan fluida, seperti kincir angin mini yang dipasang di aliran aliran. Tujuan dasar dari pengukur aliran turbin adalah untuk membuat elemen turbin yang berputar sebebas mungkin, sehingga tidak ada torsi yang diperlukan untuk mempertahankan putaran turbin.

Sumber: InstrumentationTools.com

Naufal

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