BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengukuran Laju Aliran Fluida dapat dilakukan berdasarkan persamaan kontinuitas yang mana prinsif dasarnya berasal dari hukum kekekalan massa seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 Jumlah massa fluida (m 1 ) yang melalui penampang 1 (A 1 ) dalam satu satuan waktu tertentu adalah sama dengan massa fluida (m 2 ) yang melalui penampang 2 (A 2 ). Pada fluida termampatkan (incompressible) massa jenis ( p ) fluida tidak mengalami perubahan selama perjalanan mengalirnya. Gambar 2.1 Prinsif Dasar Hukum Kekekalan Massa Persamaan kontiniutas dari penampang 1 ke penampang 2 adalah: m 1 = m2 ρ1. V1. A1 = ρ2. V2. A2... (2.1) Untuk aliran tak mampu mampat, massa jenis (ρ) adalah tetap sehingga: V 1. A1 = V2. A2 Q1 = Q2 (2.2)
Maka: Q = V.A Dimana: Q = Debit aliran (L/jam) V = Kecepatan aliran (m/) A = Luas Penampang yang dilalui fluida (m 2 ) P = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) 2.1.1 Pengenalan Alat Ukur Laju Aliran Fluida Dalam pabrik-pabrik pengolahan diperlengkapi dengan berbagai macam alat pengoperasian setiap peralatan saling mendukung antar satu peralatan dengan peralatan yang lainnya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan maka diperlukan peralatan pendukung. Salah satu pendukung yang penting dalam suatu pabrik adalah peralatan instrument pabrik. Peralatan instrument merupakan bagian dari kelengkapan keterpasangan peralatan yang dapat digunakan untuk mengetahui dan memperoleh sesuatu yang dikehendaki dari suatu kegiatan kerja peralatan mekanik. Salah satu peralatan instrument yang penting adalah alat ukur. Penggunaan alat ukur dalam pabrik sangat banyak digunakan, ini bertujuan untuk menjaga hasil yang dibutuhkan, sehingga perlu adanya pemeliharan dari alat-alat ukur tersebut. Alat-alat ukur instrument yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran suatu fluida disebut dengan alat ukur fluida. Alat ukur aliran fluida dari dua bagian pokok yaitu : 1. Alat Ukur Primer Yang dimaksud alat ukur primer adalah bagian alat ukur yang berfungsi sebagai alat perasa (sensor).
2. Alat Ukur Sekunder Sedangkan alat ukur sekunder adalah bagian yang mengubah dan menunjukkan besaran aliran yang dirasakan alat perasa supaya dapat dibaca. Alat ukur yang sering dijumpai dalam pabrik dibagi menurut fungsinya yaitu: a. Alat Pengukur Aliran Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari fluida yang mengalir. b. Alat Pengukuran Tekanan Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukan besaran tekanan dari suatu fluida. c. Alat Pengukur Tinggi Permukaan Cairan Alat yang digunakan untuk mengukur ketinggian dari permukaan suatu cairan. d. Alat Pengukur Temperatur Alat yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran temperatur, Tujuan dari pada pengukuran aliran fluida adalah untuk mencegah kerusakan peralatan, untuk mendapatkan mutu produksi yang diinginkan dan mengontrol jalannya proses. 2.2 Macam-Macam Aliran fluida Pada dasar nya fluida terdapat bayak Aliran diantaranya: 1. Aliran laminar Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan, atau laminar-laminar dengan satu lapisan meluncur
secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecenderungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. 2. Aliran transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. 3. Aliran turbulen Aliran turbulen didefinisikan sebagai aliran yang dimana pergerakan dari l fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi mengakibatkan tegangan geser yang merata di seluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran. 2.3 Jenis Alat Ukur Aliran Fluida Jenis alat ukur aliran fluida yang paling banyak digunakan diantaranya alat ukur lainnya adalah alat ukur fluida jenis laju aliran. Hal ini dikarenakan oleh konstruksinya yang sederhana dan pemasangannya yang mudah. Alat ukur aliran fluida jenis ini dibagi empat jenis yaitu : 1. Venturi meter 2. Nozzle 3. Pitot tubes 4. Flat orifice
Pada dasarnya prinsip kerja dari keempat alat ukur ini adalah sama yaitu bila aliran fluida yang mengalir melalui alat ukur ini mengalir maka akan terjadi perbedaan tekanan sebelum sesudah alat ini. Beda tekanan menjadi besar bila laju aliran yang diberikan kepada alat ini bertambah. 2.3.1 Venturi Meter Venturi Meter ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan. Sedangkan alat untuk menunjukan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah manometer pipa U. Venturi Meter memiliki kerugian karena harganya mahal, memerlukan ruangan yang besar dan rasio diameter throatnya dengan diameter pipa tidak dapat diubah. Untuk sebuah venturi meter tertentu dan sistem manometer tertentu, kecepatan aliran yang dapat diukur adalah tetap sehingga jika kecepatan aliran berubah maka diameter throatnya dapat diperbesar untuk memberikan pembacaan yang akurat atau diperkecil untuk mengakomodasi kecepatan aliran maksimum yang baru. Seperti terlihat Gambar 2.2 Gambar 2.2 Venturi Meter
Untuk Venturi Meter ini dapat dibagi 3 bagian utama yaitu : a. Bagian Inlet adalah Bagian yang berbentuk lurus dengan diameter yang sama seperti diameter pipa atau cerobong aliran. Lubang tekanan awal ditempatkan pada bagian ini. b. Inlet Cone adalah Bagian yang berbentuk seperti kerucut, yang berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida. c. Throat (leher) adalah Bagian tempat pengambilan beda tekanan akhir bagian ini berbentuk bulat datar. Hal ini dimaksudkan agar tidak mengurangi atau menambah kecepatan dari aliran yang keluar dari inlet cone. Pada Venturi meter ini fluida masuk melalui bagian inlet dan diteruskan ke bagian outlet cone. Pada bagian inlet ini ditempatkan titik pengambilan tekanan awal. Pada bagian inlet cone fluida akan mengalami penurunan tekanan yang disebabkan oleh bagian inlet cone yang berbentuk kerucut atau semakin mengecil kebagian throat. Kemudian fluida masuk kebagian throat inilah tempat-tempat pengambilan tekanan akhir dimana throat ini berbentuk bulat datar. Lalu fluida akan melewati bagian akhir dari venturi meter yaitu outlet cone. Outlet cone ini berbentuk kerucut dimana bagian kecil berada pada throat, dan pada Outlet cone ini tekanan kembali normal. Jika aliran melalui venturi meter itu benar-benar tanpa gesekan, maka tekanan fluida yang meninggalkan meter tentulah sama persis dengan fluida yang memasuki meteran dan keberadaan meteran dalam jalur tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan tekanan yang bersifat permanen dalam tekanan. Penurunan tekanan pada inlet cone akan dipulihkan dengan
sempurna pada outlet cone. Gesekan tidak dapat ditiadakan dan juga kehilangan tekanan yang permanen dalam sebuah meteran yang dirancangan dengan tepat. 2.3.2 Flow Nozzle Flow Nozzle sama halnya dengan plat orifice yaitu terpasang diantara dua flensa. Flow Nozzle biasa digunakan untuk aliran fluida yang kecil. Karena flow nozzle mempunyai lubang lebih besar dan kehilangan tekanan lebih kecil daripada plat orifice sehinga flow nozzle dipakai untuk fluida kecepatan tinggi pada temperatur tinggi dan untuk penyediaan air ketel. Flow nozzle ini merupakan alat primer dari pengukuran aliran yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanannya. Sedangkan alat untuk menunjukkan besaran aliran fluida yang diukur atau alat sekundernya adalah berupa manometer. Pada flow nozzle kecepatan bertambah dan tekanan semakin berkurang seperti dalam venturi meter. Dan aliran fluida akan keluar secara bebas setelah melewati lubang flow nozzle sama seperti pada plat orifice. Flow nozzle terdiri dari dua bagian utama yang melengkung pada selinder. Seperti liahat pada gambar 2.3 Gambar 2.3 Flow Nozzle
2.3.3 Pitot Tubes Nama pitot tubes datang dari konsensip Henry de Pitot pada tahun 1732. Pitot tubes mengukur besaran aliran fluida dengan jalan menghasilkan beda tekanan yang diberikan oleh kecepatan fluida itu sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.4 Sama halnya seperti plate orifice, pitot tubes membutuhkan dua lubang pengukuran tekanan untuk menghasilkan suatu beda tekanan. Pada pitot tubes ini biasanya fluida yang digunakan adalah jenis cairan dan gas. Pitot tubes terbuat dari stainless steel dan kuningan. Gambar 2.4 Pitot Tubes 2.3.4 Plat Orifice Agar dapat melakukan pengendalian atau proses-proses industri, kuantitas bahan yang masuk dan keluar dari proses perlu diketahui. Kebanyakan bahan ditransportasikan diusahakan dalam bentuk fluida, maka penting sekali mengukur kecepatan aliran fluida dalam pipa. Berbagai jenis meteran digunakan untuk mengukur laju arus seperti plat orifice.
Untuk plat orifice ini, fluida yang digunakan adalah jenis cair dan gas. Pada plat orifice ini piringan harus berbentuk tegak lurus pada sumbu pipa. Piringan tersebut harus bersih dan diletakkan pada perpipaan yang lurus untuk memastikan pola aliran yang normal dan tidak terganggu oleh fitting, kran atau peralatan lainnya. Prinsif dasar pengukuran plat orifice dari suatu penyempitan yang menyebabkan timbulnya suatu perbedaan tekanan pada fluida yang mengalir. Seperti terlihat Gambar 2.5 Gambar 2.5 Plat Orifice
Pada percobaan menghitung kecepatan laju aliran fluida pada sistem rangkaian perpipaan dengan menggunakan control valve jenis air to open ini kita menggunakan plat orifice dan alat pengontrol proses instrument. Plat orifice merupakan alat ukur aliran fluida yang paling banyak digunakan di pabrik-pabrik. Hal ini oleh karna harganya yang murah dan pemasangannya yang mudah. Plat orifice ini berbentuk plat yang berlubang dengan pinggiran yang tajam dan plat orifice ini terbuat dari bahan logam yang tahan terhadap korosi seperti stainless stell. Plat orifice ini disisipkan pada jalur perpipaan yang lurus. Plat orifice merupakan alat primer yang berfungsi untuk mendapatkan beda tekanan antara sebelum dan sesudah plat orifice. Sedangkan peralatan sekundernya berupa menometer pipa U. Pada alat orifice ini piringan harus berbentuk tegak lurus pada sumbu pipa. Piringan tersebut harus bersih dan diletakkan pada perpipaan yang lurus untuk memastikan pola aliran yang normal dan tidak terganggu oleh sambungan katub atau peralatan lainnya. Secara umum, plat orifice ini hanya digunakan apabila kehilangan tenaga dan tekanan bukan suatu faktor yang penting. Plat orifice selalu mengakibatkan suatu loss permanent dan tekanan fluida yang melaluinya. Sebab itu plat orifice digunakan pada pipa bertekanan tinggi yang banyak tenaga atau tekanannya. Plat orifice ini juga digunakan untuk tujuan percobaan atau testing dipipa steam. Prinsif dasar pengukuran plat orifice adalah dari kenyataan bahwa plat orifice adalah suatu penyempitan yang menyebabkan timbulnya suatu perbedaan tekanan pada fluida yang melaluinya.
Yang sebenarnya diukur adalah head statis atau tekanan pada salah satu sisi plat orifice. Kemudian sisi meteran mengubah pengukuran head statis ke suatu pengukuran flow. Plat orifice terdiri atas tiga jenis, yaitu : 1.Orifice Konsetrik 2.Orifice Eksentrik 3.Segmental orifice 2.3.5 Orifice Konsentrik Plat orifice jenis ini dipergunakan untuk semua jenis fluida yang tidak mengandung partikel-partikel padat. Orifice ini dibuat dengan mengebor bagian tengah (port) secara sentrik dalam bagian tengah plat. Plat orifice seperti ini lebih popular karna konstruksinya yang lebih sederhana dan mudah pembuatannya. Jenis ini dapat dilihat pada Gambar 2.6 Pada percobaan ini digunakan plat orifice jenis konsentrik yang sesuai dengan apa yang akan diukur kecepatan alirannya yaitu cairan/air. Gambar 2.6 Plat Orifice Jenis Konsentrik
2.3.6 Orifice Eksentrik Orifice Eksentrik memiliki potongan lubang pembatasan secara eksentrik sehingga mencapai bagian dasar pipa seperti terlihat pada Gambar 2.7 jenis orifice ini dipergunakan untuk fluida yang mengandung partikel-partikel padat. Gambar 2.7 Plat Orifice Jenis Eksentrik Tipe orifice sangat bermanfaat untuk pengukuran kecepatan cairan yang mengandung padatan. Bila padatan tidak berkumpul pada sisi orifice, maka sisi orifice tidak akan mengalami kerusakan atau error hasil pengukuran. 2.3.7 Segmental Orifice Jenis segmental Orifice ini dipergunakan untuk mengukur kecepatan aliran yang mengandung padatan, sama jenis orifice segmental, hanya saja kalau jenis eksentrik berbentuk lingkaran yang berada dibawah atau dekat dasar pipa, sedangkan kalau segmental orifice ini berlubang setengah lingkaran seperti terlihat pada Gambar 2.8
Gambar 2.8 Plat Orifice Jenis Segmental