FLOWMETER: JENIS DAN TEKNOLOGINYA (PART I : CORIOLIS)

Sensor ini banyak diaplikasikan dalam industri minyak dan gas bumi. Tujuannya pun jelas. Sesuai dengan nama yang disematkan, sensor ini mengukur debit aliran fluida pre dan pasca proses.

Banyak jenis flowmeter yang beredar atau yang diaplikasikan dalam plant. Beberapa diantaranya adalah Ultrasonic Flow Meter, Glass Tube Flow Meter, Coriolis Flow Meter, Orifice Flow Meter, Electromagnet Flow Meter, dan masih banyak lagi.

Flow Meter Coriolis on Site Plant

Bersinggungan dengan fluida dalam industri apapun itu, pasti akan akrab dengan namanya flow meter. Jelas dari namanya, sensor/transduser ini memiliki kemampuan spesifik untuk mengukur debit aliran fluida. Beberapa di desain dengan kemampuan untuk tahan terhadap tekanan dan temperatur yang tinggi. Apa saja jenis flow meter yang ada saat ini? Seperti apa teknologi yang digunakan? Mari kita simak.. Cekidot...:)

Flow Meter Coriolis

Flow meter ini dapat juga disebut sebagai mass-flow meter atau inertial flow meter. Kenapa? Karena prinsip yang digunakan dalam flow meter ini didasarkan pada pengukuran rataan aliran massa dari fluida yang mengalir melalui tube atau tabung. Lalu apa rataan aliran massa itu? Rataan aliran massa adalah massa dari fluida yang mengalir melintasi fixed point tiap satuan waktu. Fixed point akan dijelaskan pada simulasi di bawah :)

Sejarahnya, teori ini dikemukakan oleh ilmuwan Perancis bernama Gaspard-Gustave de Coriolis pada tahun 1835. Teori muncul karena sang profesor Coriolis mengamati gerak relatif suatu benda di dalam rotating wheel (cakram putar). Contoh yang paling mudah tentang efek Coriolis adalah ketika kita menampung air di dalam bathtub lalu setelah penuh, kita buka sumbat lubangnya. Apa yang terlihat? Benar! Pusaran air menuju lubang bathtub. Sekarang ini, efek Coriolis banyak diterapkan dalam analisa meteorologi dan pengembangan missile trajectory. Lalu bagaimana kisahnya efek Coriolis diterapkan dalam pengukuran fluida?

Efek Coriolis dalam bidang Meteorologi

Efek Coriolis dalam flow meter ditunjukkan oleh getaran tabung saat fluida mulai mengalir di dalam nya. Getaran, sekalipun tidak merepresentasikan gerak melingkar sempurna, tetap memberikan efek Coriolis yaitu pembelokkan arah. Akan lebih jelas setelah melihat simulasi di bawah. :D

Kembali lagi ke flow meter. Flow meter jenis ini tidak mengukur fluida berdasarkan volume per satuan waktu tetapi massa per satuan waktu yang mengalir melalui transduser. Hubungan antara volume dan massa dapat dilihat sebagai berikut:

m/d = V, dengan m adalah massa (Kg)

    d adalah densitas fluida (Kg/m³)
V adalah volume (m³)

Dari hubungan masing-masing variabel di atas akan lebih kompleks bila ada fluktuasi densitas dari fluida yang mengalir. Densitas dari fluida dapat dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, dan komposisi fluida tersebut.


   Sekarang kita fokus ke prinsip kerjanya. Analogi mudahnya seperti ini. Kalau kita punya selang, lalu kita pegang dengan kedua tangan sehingga selang tersebut menggantung membentuk huruf "U". Lalu kita goyang-goyang tangan kita bersamaan ke arah depan lalu ke belakang. Maka selang akan "bergoyang" seirama dengan tangan kita. Lalu, apa jadinya kalau selang kita aliri air? Maka "goyangan"-nya akan berbeda dengan sebelum berisi air. Coba perhatikan gambar di bawah ini:

Simulasi flow meter coriolis dengan menggunakan selang air (1)

Gambar di atas ada dua bagian. Sebelah kiri adalah selang tanpa berisi air dan yang sebelah kanan adalah selang yang berisi air. Saat digoyang, selang yang sebelah kiri seluruh bagiannya akan bergerak seirama. Namun, saat diisi air, "goyangan"-nya sudah berubah menjadi seperti yang di sebelah kanan. Saat air mulai masuk ke selang, perubahan gerakan sudah mulai terlihat karena ada perbedaan massa di dalam selang. Bagian A akan bergerak ke depan sedangkan bagian B akan bergerak ke belakang pada rentang waktu yang sama. Posisi A dan B akan bergantian fasa, maksudnya adalah, setelah A bergerak ke depan dan B bergerak ke belakang pada saat yang sama, fasa berikutnya adalah A bergerak ke belakang dan B akan bergerak sebaliknya juga. Ini juga disebabkan karena perubahan kecepatan angular di dalam selang yang berbentuk kurva. Seperti gambar di bawah.

Simulasi flow meter coriolis dengan menggunakan selang air (2)

Mari kita lihat "jerohan"-nya flowmeter tersebut. Gambar di bawah adalah flow meter milik Endress+Hausser dengan single curved tube.

Flow meter Coriolis Single Tube (Tampak Luar)

Flow meter Coriolis Single Tube (Tampak Dalam)

Pada kedua ujung tube, terpasang penahan di bagian ujung inlet dan satu di bagian outlet. Measuring tube sebagaimana itu disebut akan berayun secara merata dan konstan bila tidak ada material yang mengalir di dalam tube. Exciter (drive coil) di dalam badan sensor yang membuat tube dapat berayun. Sensor (pick off coil) yang sangat sensitif juga diletakkan di inlet dan outlet sehingga dapat mendeteksi osilasi tube dengan tepat.


Flow meter Coriolis Single Tube Working Method (1)

Pada gambar di atas, huruf A adalah exciter yang membuat tube berayun secara konstan. Huruf B dan C adalah sensor yang mendeteksi secara tepat osilasi yang terjadi pada tube. Perbedaan jarak antara exciter dengan tube pada gambar di atas dengan di bawah menunjukkan bahwa tube dalam keadaan ber-osilasi.

Flow meter Coriolis Single Tube Working Method (2)

Bagaimana bila fluida mulai masuk ke dalam tube? Saat fluida masuk ke dalam tube, terjadi twisting tambahan pada tube yang mendorong terjadinya osilasi yang berbeda pada tube. Twisting dan osilasi yang terjadi saat fluida masuk ke dalam tube adalah hasil dari gaya inersia fluida.

Karena efek Coriolis, inlet dan outlet dari tube ber-osilasi dengan orientasi/arah gerak yang berbeda pada saat yang bersamaan. Perhatikan gambar di bawah ini:

Flow meter Coriolis Single Tube Working Method (3)

Gambar di atas menunjukkan bahwa saat fluida sudah berada di dalam tube, dan tube memang dalam keadaan selalu berayun karena exciter, sisi inlet (B) memiliki jarak yang lebih dekat dengan sensor B dan pada saat yang sama, sisi outlet (C) berjarak lebih jauh dari sensornya. Dan fasa selanjutnya adalah kebalikan dari keadaan di atas, seperti yang ditunjukkan oleh gambar di bawah.

Flow meter Coriolis Single Tube Working Method (4)

Sensor pada inlet dan outlet sangat sensitif dan presisi dalam merekam setiap perubahan dan/gerak tube dalam satu time frame. Bila pembacaan kedua sensor digabungkan maka kita akan mendapat dua sinyal sinusoidal yang kontinyu tetapi berbeda fasa. Ini dikenal dengan phase shift atau pergeseran fasa dan dapat digunakan untuk menghitung berapa banyak liquid atau gas yang mengalir di dalam tube. Semakin cepat aliran fluida di dalam tube, maka semakin tinggi defleksi dari osilasi measuring tube. Bila tergambar dalam grafik sinusoidal, mass velocity terepresentasi dengan beda fasa antar gelombang.

Flow meter ini tidak hanya mampu mendeteksi aliran fluida namun juga menghitung densitas fluida tersebut. Bagaimana bisa? Coba bayangkan, bila measuring tube dialiri air dan bandingkan bila diisi dengan minyak. Measuring tube yang dialiri minyak, frekuensi ayunannya akan lebih tinggi bila dibandingkan tube yang diisi air. Mengapa? Karena densitas dan massa jenis minyak lebih ringan dari air. Jadi, dalam grafik sinusoidal yang tergambar sebagai representasi sensor flow meter, komponen frekuensi mendeskripsikan densitas fluida, dan komponen beda fasa mendeskripsikan kecepatan massa fluida.

Komponen Dasar Flow Meter Coriolis

Gambar di atas menunjukkan komponen-komponen dasar dari flow meter Coriolis. Drive Coil dan magnet adalah komponen yang berada di tengah measuring tube. Komponen inilah yang memberikan inertial forces atau vibrasi pada measuring tube. Pick off coil yang tersusun dari magnet dan kumparan terpasang pada badan measuring tube/ flow tube. Saat measuring tube bergerak maka mekanisme pick off coil akan bergerak di dalam medan magnet yang seragam dan membangkitkan tegangan dalam bentuk sinyal sinusoidal. Persis dengan prinsip kerja solenoid.
Ada juga flow meter Coriolis yang menggunakan double curved tube. Namun, dalam aplikasi, prinsip, dan penggunaannya tetap sama dengan yang single curved tube. Seperti ini penampakannya.

Flow meter Coriolis Double Curved Tube (1)


Posisi measuring tube saat tidak ada fluida


Ayunan measuring tube saat tidak ada fluida


Ayunan measuring tube saat ada fluida

Ayunan measuring tube saat ada fluida

Visualisasi data sensor yang berbentuk sinusoidal. Perbedaan fasa menggambarkan mass flow fluida

Frekuensi sensor yang sepadan merepresentasikan densitas fluida

Prinsip yang sama juga diterapkan pada flow meter Coriolis yang menggunakan single straight tube seperti gambar di bawah ini.

Single Straight Tube Flow Meter Coriolis

Sekian sharing session mengenai flow meter Coriolis. Semoga bermanfaat untuk semua. Nantikan topik-topik menarik lainnya di blog ini ya.. :)

Enormous Energy

Translate

Wednesday, October 14, 2015