Pengukuran debit: meter elektromagnetik, ultrasonik, turbin, vortex, Coriolis, beda tekanan, dan rotameter, akurasi dan rentang, pemasangan, dan pemeriksaan di lapangan

Laundry sebuah rumah sakit ingin mengetahui pemakaian air per kilogram linen untuk setiap program cuci, supaya dapat membandingkan mesin lama dengan mesin baru. Teknisi pemelihara memasang meter air mekanis di jalur air panas yang mengisi tiga mesin cuci, lalu mencatat angkanya setiap akhir hari. Setelah sebulan, angka meter sekitar sepertiga lebih rendah dari perkiraan yang dihitung dari level air setiap tahap dan jumlah siklus. Bagian keuangan mulai bertanya apakah perhitungan level yang salah atau meternya.

Teknisi yang memeriksa menemukan beberapa hal. Meter dipasang hanya sejengkal setelah sebuah siku dan katup, sehingga aliran yang masuk berputar dan tidak merata. Mesin mengisi tangkinya dalam dua tahap, dan tahap akhir berupa aliran kecil yang berada di bawah debit terkecil yang dapat diukur meter itu. Air panas di jalur itu mencapai 70 °C, padahal meter yang dipasang adalah meter air dingin. Dan pada pagi hari, pipa berisi udara yang membuat baling-baling meter berputar tanpa air yang sebanding. Tidak ada meter yang salah sama sekali; yang salah adalah pemilihan dan pemasangannya. Bab ini menjelaskan cara kerja jenis-jenis meter debit dan cara memastikan angkanya dapat dipercaya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pengukuran debit cairan di gedung, laundry, dan utilitas dari sisi teknisi: debit volume dan massa, akurasi dan rentang, jenis meter, pemilihan, pemasangan, dan pemeriksaan di lapangan. Pengukuran aliran gas dan uap hanya disinggung. Angka untuk meter tertentu diambil dari lembar data pembuatnya. Topik yang berdekatan ada di bab lain:

1. Bab 1 tentang tekanan, debit, dan kontinuitas.
2. Bab 4 tentang sifat fluida untuk teknisi.
3. Bab 60 · Kelistrikan & Kendali tentang sensor proses dan transmiter, termasuk transmiter aliran dan loop 4 sampai 20 mA.
4. Bab 12 · Air & Pengolahan Air tentang instrumen debit dan tekanan unit RO.
5. Bab 23 · Air & Pengolahan Air tentang pemantauan efluen dan operasi harian IPAL, termasuk pengukuran debit di IPAL.
6. Bab 4 · Data & Pengukuran tentang analisis sistem pengukuran dan Bab 5 · Data & Pengukuran tentang ketidakpastian gabungan.

Debit volume dan debit massa

Debit volume (volumetric flow rate) menyatakan volume per waktu, misalnya m³/jam atau L/menit. Debit massa (mass flow rate) menyatakan massa per waktu, misalnya kg/jam, dan berhubungan dengan debit volume melalui massa jenis:

dengan $\dot{m}$ debit massa (kg/s), $\rho$ massa jenis (kg/m³), dan $Q$ debit volume (m³/s). Sebagian besar meter mengukur kecepatan aliran lalu mengubahnya menjadi debit volume dengan luas penampang; hanya sebagian kecil yang mengukur massa langsung. Untuk air, perbedaan keduanya kecil; untuk bahan kimia pekat yang massa jenisnya berubah menurut suhu dan kadar, perbedaannya penting, seperti di Bab 4 tentang sifat fluida untuk teknisi.

Meter biasanya menampilkan dua angka: debit sesaat dan jumlah volume yang sudah lewat. Untuk menghitung pemakaian per siklus atau per hari, yang dipakai adalah jumlah; debit sesaat dipakai untuk kendali dan diagnosis.

Akurasi, rentang, dan perbandingan rentang

Akurasi meter dinyatakan dengan dua cara yang berbeda jauh artinya:

1. Persen dari pembacaan: galat sebanding dengan debit yang sedang diukur. Meter ±0,5 persen dari pembacaan memberi galat 0,05 m³/jam pada 10 m³/jam dan 0,01 m³/jam pada 2 m³/jam.
2. Persen dari skala penuh: galat tetap, berapa pun debitnya. Meter ±1 persen dari skala penuh 20 m³/jam memberi galat 0,2 m³/jam, yaitu 10 persen bila debit hanya 2 m³/jam.

Setiap meter juga mempunyai debit terkecil dan terbesar yang dapat diukur dengan akurasi yang dijanjikan. Perbandingan rentang (turndown ratio) adalah perbandingan antara debit terbesar dan debit terkecil itu. Di bawah debit terkecil, meter dapat membaca jauh lebih rendah atau tidak membaca sama sekali; di atas debit terbesar, meter cepat aus atau menimbulkan rugi tekan besar. Ketelitian dan keterulangan meter dinilai dengan cara yang dijelaskan di Bab 4 · Data & Pengukuran tentang analisis sistem pengukuran, dan ketidakpastiannya dengan cara di Bab 5 · Data & Pengukuran tentang ketidakpastian gabungan.

Meter elektromagnetik, ultrasonik, turbin, vortex, dan Coriolis

Meter elektromagnetik

Meter elektromagnetik (electromagnetic flowmeter) memakai hukum induksi: cairan yang mengalir melintasi medan magnet menghasilkan tegangan kecil di antara dua elektroda, sebanding dengan kecepatannya. Meter debit magnetik relatif baru di industri air dan air limbah. Sekarang meter ini banyak dipakai untuk air, air limbah, dan bahan kimia cair.

Kelebihannya: tidak ada bagian yang bergerak, tidak menimbulkan rugi tekan, dan tidak terganggu padatan atau serat. Batasannya:

1. Cairan harus menghantarkan listrik: air biasa cukup; air hasil RO atau air demineralisasi dapat terlalu rendah konduktivitasnya.
2. Pipa harus penuh: pipa yang setengah kosong atau berisi udara memberi angka yang salah.
3. Pembumian dan acuan listrik: cincin pembumian atau elektroda acuan diperlukan, terutama pada pipa plastik.
4. Lapisan pada elektroda: kerak atau lemak di elektroda menggeser pembacaan.

Meter ultrasonik

Meter ultrasonik waktu tempuh mengirim gelombang suara searah dan berlawanan arah aliran; selisih waktu tempuhnya sebanding dengan kecepatan. Meter ultrasonik Doppler memakai pantulan dari partikel atau gelembung. Sebagian meter ultrasonik dijepit di luar pipa, sehingga dapat dipasang tanpa memotong pipa.

Meter jepit sangat berguna untuk memeriksa meter lain atau mengukur sementara. Hasilnya bergantung pada data pipa yang dimasukkan dengan benar: diameter luar, tebal dinding, bahan, dan lapisan dalam. Gelembung udara dan endapan di dinding pipa mengganggu sinyal waktu tempuh, dan pemasangan memerlukan pipa lurus yang cukup panjang. Sensor jepit diletakkan di sisi pipa, tidak di atas tempat udara berkumpul atau di bawah tempat endapan menumpuk, dengan gel penghantar yang cukup dan jarak antarsensor sesuai petunjuk alat. Angka kekuatan sinyal yang ditampilkan alat diperiksa sebelum pembacaan dipercaya.

Meter turbin dan meter air mekanis

Meter turbin dan baling-baling memakai rotor yang berputar sebanding dengan kecepatan aliran. Meter air rumah tangga dan gedung umumnya jenis mekanis: rotor, roda berlapis, atau piston yang menggerakkan penghitung.

Hal yang perlu diperhatikan:

1. Debit terkecil: aliran yang sangat kecil tidak cukup memutar rotor, sehingga tidak tercatat.
2. Keausan: bantalan rotor aus dan meter mulai membaca lebih rendah setelah bertahun-tahun.
3. Kotoran: pasir dan serat merusak rotor; saringan di hulu melindunginya.
4. Suhu: meter air dingin dan meter air panas dibuat dari bahan berbeda; meter air dingin di jalur panas cepat rusak dan membaca salah.
5. Viskositas: meter turbin peka terhadap viskositas; untuk cairan kental, faktor kalibrasinya berubah.
6. Udara: udara yang lewat memutar rotor seolah-olah air, sehingga meter membaca lebih tinggi.

Meter vortex dan Coriolis

Meter vortex menempatkan penghalang di aliran; di belakangnya terbentuk pusaran yang terlepas bergantian dengan frekuensi sebanding dengan kecepatan. Meter ini tidak bergerak, banyak dipakai untuk uap, udara, dan air, tetapi memerlukan bilangan Reynolds yang cukup tinggi, sehingga tidak membaca pada debit kecil atau cairan kental.

Meter Coriolis mengalirkan fluida melalui tabung yang digetarkan; aliran massa memutar tabung sedikit, dan putaran itu diukur. Meter ini mengukur debit massa dan massa jenis langsung, sangat teliti, dan tidak terpengaruh viskositas, sehingga cocok untuk dosis bahan kimia pekat yang harus ditakar dengan massa. Kelemahannya harga yang tinggi dan kepekaan terhadap gelembung gas dan getaran pipa.

Meter beda tekanan: orifis, venturi, dan nosel

Orifis terutama dipakai untuk mengukur debit, dan kenaikan kecepatan aliran menimbulkan penurunan tekanan di orifis. Beda tekanan itu dibaca dengan manometer tabung U yang dipasang melintasi meter orifis atau dengan perangkat sekunder pelat orifis, sedangkan pada venturimeter terbaca sebagai selisih ketinggian.

Debit dihitung dari beda tekanan:

dengan $Q$ debit volume (m³/s), $C_d$ koefisien buang (discharge coefficient), sekitar 0,6 untuk orifis bertepi tajam dan sekitar 0,98 untuk venturi, $A_o$ luas lubang (m²), $\Delta p$ beda tekanan (Pa), $\rho$ massa jenis (kg/m³), dan $\beta$ perbandingan diameter lubang terhadap diameter pipa. Karena debit sebanding dengan akar beda tekanan, debit setengahnya hanya memberi seperempat beda tekanan, sehingga perbandingan rentang meter beda tekanan biasanya hanya sekitar 3 sampai 4 berbanding 1. Orifis juga menimbulkan rugi tekan permanen yang cukup besar; venturi jauh lebih kecil.

Rotameter

Rotameter (variable-area flowmeter) adalah jenis meter aliran umum yang bekerja dengan luas yang berubah. Pelampung di dalam tabung kerucut tegak naik sampai celah di sekitarnya cukup untuk meloloskan aliran; tinggi pelampung dibaca pada skala. Rotameter murah, tidak memerlukan listrik, dan banyak dipakai untuk air pembilas, larutan dosis, dan unit RO, seperti di Bab 12 · Air & Pengolahan Air tentang instrumen debit dan tekanan unit RO.

Skala rotameter berlaku untuk fluida, massa jenis, dan viskositas tertentu. Untuk cairan lain, pembacaan dikoreksi; untuk cairan yang hanya berbeda massa jenisnya, koreksinya:

dengan $\rho_p$ massa jenis pelampung, $\rho_a$ massa jenis cairan kalibrasi, dan $\rho$ massa jenis cairan yang diukur, semuanya dalam satuan yang sama, misalnya kg/m³. Rotameter harus dipasang tegak, dibaca pada tanda yang benar di pelampung, dan dijaga bersih, karena kotoran di tabung menggeser pembacaan.

Memilih meter

Pertanyaan yang umum untuk memilih meter:

1. Untuk apa angkanya? Tagihan dan neraca memerlukan jumlah yang teliti; kendali memerlukan debit sesaat yang cepat; diagnosis cukup dengan perkiraan.
2. Fluida apa? Konduktivitas, viskositas, padatan, serat, gelembung, suhu, dan sifat korosif.
3. Rentang debit sebenarnya, termasuk debit terkecil saat pengisian lambat dan debit terbesar saat beberapa mesin mengisi bersamaan.
4. Rugi tekan yang diizinkan, terutama pada jalur dengan tekanan pas-pasan.
5. Ruang pemasangan, termasuk panjang pipa lurus yang tersedia.
6. Keluaran yang dibutuhkan: penghitung mekanis, pulsa ke pengendali, atau sinyal 4 sampai 20 mA seperti di Bab 60 · Kelistrikan & Kendali tentang sensor proses dan transmiter.
7. Perawatan dan pemeriksaan: apakah meter dapat dilepas, dibersihkan, dan dibandingkan secara berkala.

Pemasangan

Sebagian besar galat meter di lapangan berasal dari pemasangan:

1. Pipa lurus: banyak meter memerlukan pipa lurus di hulu dan hilir, sering sekitar 5 sampai 10 kali diameter di hulu dan 3 sampai 5 kali di hilir, lebih panjang setelah dua siku berbeda bidang, katup setengah terbuka, atau pompa. Angka untuk setiap meter diambil dari lembar datanya.
2. Pipa penuh: meter dipasang di pipa yang selalu penuh, misalnya di bagian yang naik atau di titik terendah, tidak di puncak pipa tempat udara berkumpul.
3. Arah: panah di badan meter searah aliran; rotameter tegak.
4. Katup kendali di hilir meter, supaya meter tetap penuh dan tidak menerima aliran yang terganggu katup.
5. Saringan di hulu meter mekanis.
6. Pembumian meter elektromagnetik pada pipa plastik.
7. Pintas dan katup isolasi, supaya meter dapat dilepas tanpa menghentikan pasokan.
8. Suhu dan tekanan jalur di bawah batas meter.

Pemeriksaan di lapangan

Meter yang terpasang perlu diperiksa sesekali. Cara yang umum:

1. Ember atau tangki terukur dan stopwatch: volume yang diketahui dibagi waktu, dibandingkan dengan jumlah yang tercatat meter pada waktu yang sama.
2. Perbandingan dengan meter lain, misalnya meter jepit ultrasonik yang dipasang sementara.
3. Neraca: jumlah meter cabang dibandingkan dengan meter induk; selisih yang besar menunjuk kebocoran atau galat meter.
4. Uji debit nol: dengan aliran dihentikan, meter harus diam; meter yang tetap berjalan menunjuk kebocoran di hilir atau gangguan.
5. Catatan: tanggal, debit uji, hasil, dan selisih, seperti catatan alat ukur di Bab 4 · Data & Pengukuran tentang analisis sistem pengukuran.

Uji ember paling bermakna bila diulang beberapa kali pada debit yang mewakili pemakaian, termasuk debit kecil, karena galat meter mekanis biasanya paling besar di ujung bawah rentangnya. Volume ember sebaiknya cukup besar supaya waktu pengisian sedikitnya belasan detik; waktu yang terlalu singkat membuat galat stopwatch dan saat mulai menjadi lebih besar dari galat meter yang hendak diperiksa. Hasil uji dicatat bersama suhu air dan keadaan katup, sehingga uji berikutnya dapat dibandingkan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: debit melalui orifis. Lubang 40 mm di pipa 80 mm memberi $\beta = 0{,}5$ dan $1 - \beta^4 = 0{,}9375$. Dengan $C_d = 0{,}61$, $A_o = \pi \times 0{,}02^2 = 1{,}257 \times 10^{-3}$ m², dan beda tekanan 20 kPa pada air, $Q = 0{,}61 \times 1{,}257 \times 10^{-3} \times \sqrt{2 \times 20.000/(1.000 \times 0{,}9375)} = 0{,}61 \times 1{,}257 \times 10^{-3} \times 6{,}53 = 5{,}0 \times 10^{-3}$ m³/s, sekitar 18 m³/jam.

Contoh 2: pipa lurus. Untuk meter di pipa 50 mm dengan syarat 10 kali diameter di hulu dan 5 kali di hilir, diperlukan pipa lurus 0,5 m di hulu dan 0,25 m di hilir. Pada kasus pembuka, jarak dari siku hanya sekitar 0,2 m.

Contoh 3: uji ember. Ember 50 L penuh dalam 20 detik, jadi debit $50/20 = 2{,}5$ L/s atau 9 m³/jam. Meter menunjukkan 8,1 m³/jam pada saat yang sama, sehingga meter membaca sekitar $(8{,}1 - 9)/9 = -10$ persen.

Contoh 4: debit di bawah batas bawah. Meter mempunyai debit terkecil 0,1 m³/jam. Tahap akhir pengisian mesin mengalir sekitar 0,06 m³/jam selama 4 menit per siklus, yaitu sekitar 4 L per siklus yang tidak tercatat. Untuk 60 siklus per hari, sekitar 240 L hilang dari catatan, di luar galat lain.

Contoh 5: pemakaian air per kilogram. Penghitung meter menunjukkan 1.234,5 m³ pagi dan 1.290,1 m³ keesokan paginya, jadi 55,6 m³ sehari. Dengan 4.000 kg linen, pemakaian $55.600/4.000 = 13{,}9$ L per kg, angka yang dibandingkan dengan perkiraan dari level tangki.

Contoh 6: koreksi rotameter. Rotameter dikalibrasi untuk air dengan pelampung baja tahan karat 8.000 kg/m³ dan dipakai untuk larutan 1.200 kg/m³. Faktor koreksinya $\sqrt{(8.000 - 1.200) \times 1.000/((8.000 - 1.000) \times 1.200)} = \sqrt{0{,}81} = 0{,}90$, sehingga debit sebenarnya sekitar 10 persen lebih rendah dari angka skala.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia atau pemilik bila:

1. Meter akan dilepas dari jalur bertekanan atau panas tanpa isolasi, pembuangan tekanan, dan pendinginan.
2. Meter dipakai untuk tagihan atau pelaporan resmi tetapi tidak terkalibrasi atau tidak dipasang menurut syaratnya.
3. Jalur bahan kimia berbahaya harus dibuka untuk memasang atau memeriksa meter tanpa prosedur dan alat pelindung.
4. Pemotongan pipa untuk meter baru akan mengganggu pasokan air rumah sakit tanpa jadwal yang disetujui.
5. Meter elektromagnetik memerlukan pekerjaan listrik di luar kewenangan teknisi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 memberi debit dan kontinuitas, Bab 4 sifat fluida, Bab 60 · Kelistrikan & Kendali transmiter aliran, Bab 12 · Air & Pengolahan Air rotameter dan meter unit RO, Bab 23 · Air & Pengolahan Air debit di IPAL, Bab 4 · Data & Pengukuran analisis sistem pengukuran, dan Bab 5 · Data & Pengukuran ketidakpastian. Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan adalah bab berikutnya di rak ini; udara dan gas di jalur cairan juga menjadi penyebab umum pembacaan meter yang salah.

Latihan dan pembahasan