Alat Ukur ( Laju Alir, Level, Tekanan & Temperatur )Alat ukur (measuring device) adalah alat yang berada di lapangan (field) untuk mengukur variable proses sepertiflow, pressure, level dan temperature. Pada industri proses output data dari alat ukur akanditransmisikan ke ruangan control (control room) untuk diproses lebih lanjut dalam kaitannya dengansistem kontrol. Pemilihan jenis alat ukur yang sesuai dan terbaik untuk mengukur suatu variable proses,sering kali sukar dilaksanakan, bahkan seorang engineer yangberpengalaman dan sudah mempunyai metoda pemilihan akan mengalami demikian. Pemilihan dapatlebih sederhana bilamana semua kondisi operasi (service condition) yang dipersyaratkan diketahui.Beberapa pengukuran memerlukan lebih informasi dibanding dengan yang lain.Sebagai contoh, beberapakondisi operasi dan stream caracteristicharus diketahui untuk aplikasi pengukuran aliran (flow) dibanding untuk peralatan pengukuran tekanan (pressure). Oleh karena itu sangat penting untukmendaftar semua informasi yang berhubungan dengan pemilihan alatukur yang dimaksud.

1. Pengukuran aliran fluida

Pengukuran aliran fluida adalah sangat penting di dalam suatu industri proses seperti kilang minyak(refinery), pembangkit listrik (power plant) dan industri kimia (petrochemical). Pada industri prosesseperti ini, memerlukan penentuan kuantitas dari suatu fluida (liquid, gas atau steam) yang mengalirmelalui suatu titik pengukuran, baik didalam saluran yang tertutup (pipe) maupun saluran terbuka (openchannel). Kuantitas yang ditentukan antara lain ; laju aliran volume (volume flow rate), laju aliran massa(mass flow rate), kecepatan aliran (flow velocity).Instrumen untuk melakukan pengukuran kuantitas aliran fluida ini disebut flowmeter. Pengembanganflowmeter ini melalui tahapan yang luas mencakup pengembangan flow sensor, interaksi sensor danfluida melalui penggunaan teknik komputasi (computation techniques), transducers dan hubungannyadengan unit pemprosesan sinyal (signal processing units), serta penilaian dari keseluruhan sistem dibawah kondisi ideal, kondisi gangguan (disturbed), kasar (harsh), kondisi berpotensi meledak (explosiveconditions) serta pada lokasi laboratorium dan lapangan (field).Beberapa jenis flowmeter yang sering digunakan di dalam industri proses dapat dikelompokkan sebagai berikut :1. DifferentialPressureOrificeVenturiTubeFlow NozzlePitot TubePitot Tube (Averaging)AnubarElbow TapsWedgeV-ConeDall Tube2. 2VariableAreaRotameterMovable VaneWeir, Flume3. PositiveDisplacementNutatingDiscOscillating PistonOval GearRoot4. Turbine5. Thermal6. Target7. UltrasonicDopplerTransit Time8. Magnetic9. Coriolis10. VortexAlat Ukur Aliran FluidaAcuan secara umum untuk pengukuran aliran (flow measurement) adalah API RP 550, Manual onInstallation of Refinery Instrument and Control System. Part 1,Process Instrumentation and Control.Section 1, Flow. Di dalam pemilihan alat ukur flow (flow measuring device), berikut kondisi-kondisi yang sangatberpengaruh dan harus diketahui untuk perhitungan, antaralain :1. Ukuran pipa dimana laju aliran diukur (LineSize)2. Daerah laju aliran(Range of flow rates) ;maximum, normal dan minimum3. Karakteristik fluida (fluid properties) : Liquid, gas, slurry, dll. Pressure Temperature Viscosity Specific gravity at standard and flowing conditions Compressibility Molecular weight (for gases and vapors) Steam quality (for steam)4. Pengaruhkorosif (untuk membantu didalam pemilihan material)5. Apakah aliran yang diukur adalah aliran yang stabil atau aliran fluktuasi.A. Differential Pressure Flowmeters (Head Flow Meter)1. Prinsip OperasiPrinsip operasiDifferential Pressure Flowmeters (DP Flowmeters) di dasarkan pada persamaan Bernoulli yang menguraikan hubungan antara tekanan dan kecepatanpada suatu aliran fluida.Alat ini memandu aliran ke dalam suatu penghalang aliran (yang mempunyai lubang dengan diameteryang berbeda dengan diameter pipa), sehingga menyebabkan perubahan kecepatan aliran (flow velocity) dan tekanan (pressure) antara sisi upstream dandownstream dari penghalang. Denganmengukur perubahan tekanan tersebut, maka kecepatan aliran dapat dihitung.2. Spesifikasi UmumDifferential pressure atau head flow measurement merupakan metoda pengukuran flow yang palingpopuler saat ini untuk mengukur aliran fluida di industri proses.3. Kelebihan dan Kekurangan Kelebihan1. Biaya pengadaannya awal : rendah ~ sedang2. Dapat digunakan di dalam cakupan luas (hampir semua phasefluidadan kondisi aliran).3. Strukturnya kokoh dan sederhana Kekurangan1. Rugi tekanan (pressure drop) :sedang ~ tinggi4. Primary Elements untuk DP FlowmetersBerbagai jenis primary element yang tersedia dipasaran untuk DP flowmeter antara lain : orifice plates,venturi tube, flow nozzle, pitot tube, anubar tubes, elbow taps, segmental wedge, V-Cone dan Dall Tube. Jenis yang paling banyak digunakan adalah orifice plate, namun element lain menawarkan beberapa kelebihan untuk aplikasi tertentu. Kelebihan dan kekurangan untuk berbagai jeniselement tersebut dapat dilihat di bawah.a. Venturi TubeBentuk dari venturi tube dapat dilihat pada gambar dibawah ini .Perubahan di(dalam) area / luaspenampang menyebabkan perubahan kecepatan dantekanan dari aliran (flow).Efek venture adalah penurunan tekanan fluida yang terjadi ketika fluida tersebut bergerak melalui pipamenyempit. Kecepatan fluida dipaksa meningkat untuk mempertahankan debit fluida yang sedangbergerak tersebut, semenatara tekanan pada bagian sempit ini harus turun akibat pemindahan energipotensial tekanan menjadi energy kinetik.

Secara umum kelebihan dan kekurangan dari penggunaan Venturi Tube, adalah sebagai berikut : Kelebihan1. Rugi tekanan (pressure loss) permanan relatif rendah dari pada orifice atau flow nozzle2. Dapat digunakan untuk mengukur cairan yang mengandung endapan padatan (solids). Kekurangan1. Tidak tersedia pada ukuran pipa dibawah 6 inches.2. Harga relatif mahal.b. Pitot TubeSebuah probe dengan open tip (pitot tube) dimasukkan ke dalam suatu bidang aliran (flow), dimana tiptersebut sebagai titik stationary (zero velocity) dari flow. Tekanan nya, dibandingkan dengan tekananstatis dan digunakan untuk mengkalkulasi kecepatan aliran (flow velocity) Pitot tabung dapat mengukurflow velocity pada titik pengukuran.Pitot tube jarangdigunakan pada process streamtetapi umumnya digunakan pada utilities streams dimanaketelitian (accuracy) yang tinggi tidaklah diperlukan. Kelebihan1. Tidak ada pressure loss. Kekurangani. Akurasi kurang.ii. Tidak direkomendasikan untuk fluida yang kotor dan lengket.iii. Sensitif pada gangguan pada hulu (upstream)

2. Alat Ukur Level (Level Measurement Devices)Pemilihan metoda pengukuran level yang sesuai aplikasi, biasanya lebih sulit dibanding dengankeempat proses variabel utama kecuali flow. Seperti pada pengukuran flow, kondisi dari media yangdiukur kadang-kadang mempunyai banyak efek yang kurang baik pada alat ukur, sehingga data kondisioperasi harus diketahui lebih banyak didalam pemilihan alat ukur level.Kondisi operasi yang harus diketahui adalah :1. Level range2. Fluida characteristicTemperaturePressure Specific gravityApakah fluida bersih atau kotor, mengandung vapors atau solids, dll.3. Efek korosif.4. Apakah fluida mempunyai kecenderungan efek coat atau menempel pada dinding vessel ataumeasuring device.5. Apakah fluida tersebut turbulent disekitar area pengukuran. Secara normal tidak ada kesulitan berarti didalam mengukur level fluida bersih dan nonviscous, namun untuk material slurry atau material dengan viscous yang beratdan solid, bagaimanapun banyak menimbulkan masalah.Metode pengukuran level dantinggi permukaan1. Displacement2. Differential pressure3. Capacitance4. Ultrasonic5. RadarJenis-jenis Alat Ukur Levela. Displacement TypePrinsip OperasiPrinsip kerja alat ini yaitu jika sebuah pelampung diapungkan pada permukaan fluida, maka pelampung akan naik danturun mengikuti gerakan dari permukaan fluidayang bersangkutan. Selanjutnyadengan suatu mekanisme, pergerakan pelampung ini dapat ditranslasikan kedalam alat ukur displacerlevel berdasarkan prinsip Archimedes.Contoh dari displacement type ini adalah :

Meteran tangki penyimpanan (storage tank gages)

Gambar diatas menunjukkan skematik dari meteran tangki penyimpanan. Alat ini terdiri dari pelampungdan pita baja. Bila tinggi permukaan cairan naik maka pelampungpun turut naik. Angka yang ditunjukoleh ujung pita baja menunjukkan tinggi permukaan cairan yang diukur. Angka ini biasanya dalam satuanpanjang, akan tetapi dapat diperhitungkan menjadi satuan isi. Meteran tangki penyimpanan seperti inisering disebut seperti ini sering disebut dengan nama pelampung dan pita (float and tape) dandipergunakan dalam pengukuran cairan padatangki penimbunan yang tidak bertekanan. Kelebihan a. Akurasinya tinggi b. Handal pada liquid yang bersih.c. Metoda terbukti (proven)d. Dapat dipasang secara internal atau secara eksternal.e. Pemasangan secara external pada unit dapat di blok dengan valve untuk maintenance.f. Dapat digunakan untuk mengukur liquid interface. Kekurangana. Range terbatas (level > 48 inches sukar untuk ditangani).b. Biaya meningkat untuk unit eksternal sehubungan dengan pressure rating meningkat.c. External units kemungkinan memerlukan pemanas (heating) untuk menghindari pembekuan (freezing).d. External units kemungkinan menghasilkan kesalahan disebabkan perbedaan temperature antara fluidadidalam vessel dengan fluida di dalam level chamber.b. Radar TypePrinsip OperasiTeknologi radar untuk aplikasi pengukuran level yang ada dipasaran adalah Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) atau Pulse Wave Time ofFlight. Sistem Pulsed Wave bekerjadengan memancarkan suatu gelombang mikro (microwave) ke arah material proses, gelombang ini dipantulkan oleh permukaan darimaterial proses dandideteksi oleh sensor yang sama yang bertindak sebagai penerima (receiver). Level ditentukan dari waktutempuh dari sinyal gelombang mikro dari transmitter ke receiver. Sistem FMCW bekerja denganmemancarkan suatu signal frekuensi secaraterus menerus dan jarak ditentukan dari perbedaan frekwensi antara sinyal transmitter dan receiver padasetiap titik pada waktunya. Contoh dari radar type: Radar level

Secara umum prinsip kerja dari radarlevel adalah sebagai berikut :Level daricairan diukur dengan radar pulsa yang pendek yang dipancarkan dari antena di bagian puncaktanki ke arah cairan. Setelah radarpulsa dipantulkan oleh permukaan cairan, maka antena menerima pulsa tersebut. Jarak dari meter gauge ke permukaan cairan (d) adalah sebanding dengan waktu tempuh pulsagelombang micro (t). Frekuensi yang digunakan radar adalah 5.8 GHZ (6.3 GHZ di AS). Kelebihana. Teknologi : Non-contactb. Akurasi : tinggi Kekurangana. Biaya pengadaan awal : tinggib. Pressure rating : terbatas c. Tidak dapat mengukur interface3. Pengukuran Pressure (Pressure Measurements)Tekanan terjadi karena adanya gaya yang bekerja terhadap suatu bidang luasan. Karena itu tekanan dinyatakan sebagai Gaya yang bekerja pada suatu Satuan Luas. Pada bagian ini akan ditinjau beberapaprinsip pengukuran tekanan yang biasa digunakan di industri proses. Alat ukur tekanan disebut sebagaiManometer. Berbagai macam nama dan tipe manometer yang terdapat di industri proses,bergantung padaprinsip kerja, jenis fluida yang diukur sertakebutuhan penggunaannya. Padaumumnya tekananfluida yang diukur di industri proses adalah cairan dan gas. Sesuai dengan definisi dari tekanan di atas, terdapat4 terminologi penting yang biasa digunakan tentang ukuran atau pengukuran tekanan, yaitu :a. Absolute Pressure(tekanan absolut)Gaya yang bekerja pada satuan luas,tekanan ini dinyatakan dan diukur terhadap tekanan NOL.b. Gauge Pressure (tekanan relatif)Tekanan yang dinyatakan dan diukur relatif terhadap tekanan atmosfer. Jadi tekanan relatif adalah selisihantara tekanan absolut dengan tekanan atmosfer (1 atmosfer =760 mmHg = 14.7 psig)c. Vacum Pressure(tekanan hampa)Tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosferd. Differential Pressure (tekanan differential)Tekanan yang diukur terhadap tekanan yang lain

Pengelompokan dan Pemilihan Alat UkurBeberapa jenis pengukuran tekanan yang sering digunakan di dalam industri prosesdapat dikelompokkansebagai berikut :a. Manometer kolom cairan (U tube)b. Bourdon Tubec. Diaphragm Pressure Gaged. Belowse. McLeod GagesPemilihan alat ukur pressure (pressure device) tidaklah sesulit memilih alat ukur flow dan level. Didalampengukuran flow dan level, karakteristik dari fluida proses sangat menentukan dalam pemilihan metodaoperasi alat ukur tertentu. Dalam pengukuran pressure, penekanan lebih sedikit pada karakteristik fluida,dan lebih banyak pada pertimbangan akurasi, range pengukuran dan pemilihan material.a. Bourdon Tube1. Prinsip OperasiBourdon Tube adalah alat ukur tekanan nonliquid. Alat ukur ini secaraluasdigunakan didalam industri proses untuk mengukur tekanan statis padabeberapa aplikasi. Bentuk dari bourdon tube terdiri dari element (C-type,helical dan spiral) dan dihubungkan secara mekanikal dengan jarum indicator.Prinsip operasinya yaitu tekanan dipandu ke dalam tabung, perbedaantekanan di dalam dan di luartabung bourdon akan menyebabkan perubahanbentuk penampangnya. Perubahan bentuk penampang akan diikuti perubahanbentuk arah panjang tabung, dimana perubahan panjang tabung akandikonversikan menjadi gerakan jarum penunjuk pada skala.Analisa teoritis tentang perubahan bentuk tabung bourdonsebagai fungsiperbedaan tekanan di luar dan didalam tabung bourdon jarang dilakukan.Perubahan bentuk tabung bourdon diperolehdari data eksperimental.

Kelebihana. Biaya pengadaan awal : rendahb. Konstruksi sederhanac. Dapat dikalibarsi dengan mudah (menggunakan mercury barometer).d. Tersedia range yang bervarisai, termasuk range yang sangat tinggi. Kekurangana. Peka terhadap goncangan dan getaranb. Mempunyai sifat histerisisc. Akurasi : sedang (tidak cukup baik untuk beberapa aplikasi).b. BarometerInstrumen ilmiah yang digunakan dalam meteorologi untuk mengukur tekanan atmosfer. Tekanan dapatmeramalkan kecenderungan perubahan jangka pendek dalam cuaca. Banyak pengukuran tekanan udarayang digunakan dalam analisis permukaan cuaca untuk membantu menemukan palung permukaan, sistem tekanan tinggi, dan batas-batas frontal.

Peningkatan tekanan udara yang bekerja pada kolom merkuri menyebabkan merkuri dalam tabung,panjang kiri meningkat dan di bagian, tangan kanan pendek jatuh. Berat sedikit lebih berat, mengambangdi merkuri, mengikuti gerakan ini dan ternyata katrol terhubung ke pointer yang pada gilirannya akanmenunjukkan kenaikan tekanan pada dial. Dengan penurunan tekanan, sebaliknya terjadi. Keluar seringini tongkat mekanisme, dan ini adalah mengapa barometer harus diberikan ketukan lembut sebelum membaca.4. Alat Ukur TemperaturTemperatur adalah ukuran panas atau dingin suatu benda. Kulit manusia mampu merasakan apakah suatubenda panas atau dingin, namun rasa panas atau dingin tersebut relatif terhadap temperature kulit itusendiri (tidak dapat teramati secara kuantitatif). Temperature adalah besaran relative, tergantung padaacuan yang digunakan. Berbagai besaran temperatur menggunakan suatu acuan sebagai harga dasarnya.MACAM PRINSIP ALAT UKUR TEMPERATUR Besaran temperatur tidak diukur secara langsung. Ukuran temperatur selalu berdasarkan perubahan sifatfisik benda tertentu akibat pengaruh perubahan temperatur. Berbagai perubah yang digunakan sebagaiprinsip dasar suatu termometer, antar lain :1. Perubahan dimensi benda, misalnya :a.Termometer cair dalam bulb(termometer air raksa), berdasarkan prinsipperubahan volume cairan dalam bulb jika dihubungkan dengan medium pada temperatur tertentuyang ingin diketahui.b.Termometer bimetal, berdasarkan perbedaan koefisien ekspansi dua buah platlogam yang direkatkan.2. Perubahan tegangan listrik, berdasarkan perbedaan sifat termoelektrik dua buah bahan, misalnya :thermocouple.3. Perubahan tahanan listrik suatu benda, misalnya : RTD danThermistor.4. Perubahan tekanan cairan dalam bulb,misalnya pressure termometer.TERMOCOUPLETEORI :Pada tahun 1821 ahli fisika Germany, Estonian Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa suatukonduktor apapun (misalnya metal) akanmenghasilkan suatu tegangan (voltage) ketika diberikan gradienthermal. Peristiwa ini dikenal sebagai efek Seebeck atau efek termoelektrik. Thermocouple adalah suatusensor temperatur termoelektris yang terdiri dari dua kawat logam yang berlainan (misalnya chromel danconstantan) dengan penggabungannnya padaprobe tip (measurement junction) dan referencejunction (temperature yang diketahui). Perbedaan temperatur antaraprobe tipDan reference junction dideteksi dengan mengukur perubahan tegangan voltage (electromotive force, EMF) pada reference junction. Pembacaan absolute temperature kemudian bias diperoleh dengan kombinasiinformasi dari temperatur acuan yang diketahui dengan perbedaan temperature antara probe tip denganreference. Kelebihana. Biaya pengadaan awal : rendahb. Tidak ada bagian yang bergerak (No moving parts)c. Range pengukuran : lebar (0 ~ 5000 oF) d. Response time singkat / pendek e. Repeatability : cukup baik Kekurangana. Hubungan temperature dan tegangan tidak linear penuhb. Sensitivitas rendah, umumnya 50 V/C (28 V/F) ataulebih rendahc. (tegangan rendah rentan dengan noise).d. Accuracy pada umumnya tidak lebih baik dari pada 0.5 C (0.9F), tidakcukup tinggi untuk beberapa aplikasi.e. Memerlukan suatu acuan temperatur yang dikenal, umumnyatemperature air es 0C (32F). Modern thermocouple mengacu padasuatu acuan yang dihasilkan secara elektris.THERMISTORTEORI :Serupa dengan Resistance Temperature Detector (RTD),thermistor (Bulk Semiconductor Sensor)menggunakan resistance untuk mendeteksi temperatur. Bagaimanapun, tidak sama dengan RTD metalprobe dimana resistance meningkat dengan temperatur, thermistor menggunakan material ceramicsemiconductor dimana responya terbalik dengan temperatur. Thermistor adalah resistance thermometer,dimana hubungan antara Resistance danTemperature adalah sangat nonlinear. Kelebihana. Accuracy tinggi ; ~0.02 C (0.36F). Lebih baik dari pada RTD dan lebih baik lagi dari padathermocouples. b. Sensitivity tinggi ; ~10. Lebih baik dari pada RTD dan lebih baik lagi dari pada thermocouples. Sebagaihasilnya, kesalahan akibat kabel yang panjang dan self-heating adalah tidak berarti.c. Response time lebih pendek dari RTD, hamper sama dengan thermocouple.d. Stabilitas dan repeatability cukup baik. e. Ukuran lebih kecil dibanding thermocouple Kekurangana. Range temperature terbatas -100 ~ 150 C (-148 ~ 302 F).b. Hubungan Resistance - Temperature ; nonlinear, tidak sama dengan RTD dimana mempunyai suatu hubungan yang sangat linier.