BAB II PENGUKURAN TINGGI PERMUKAAN CAIRAN
2.1. Pengertian Pengukuran Tinggi Permukaan Cairan (Level) Pengukuran permukaan, volume, berat cairan pada bahan kering dalam bejana atau tabung sering kali dijumpai. Pengukuran yang teliti seringkali sulit dicapai. Luasnya variasi karat dan sifat cair dan besarnya ukuran bejana penyimpanan yang diperlukan untuk pengukuran isi di dalam fraksi satu liter adalah halangan yang harus diatasi. Metode umum yang digunakan untuk melaksanakan pengukuran ini termasuk teknik langsung dan tidak langsung. Pengukuran langsung tinggi permukaan cairan dapat dilihat dari penggunaan gelas penglihat atau gelas ukur biasa dalam bejana dianggap merupakan metode yang paling sederhana untuk mengukur tinggi permukaan cairan. Metode ini sangat efektif digunakan dalam pengukuran langsung. Metoda yang digunakan secara luas untuk langsung mengukur permukaan adalah pelampung sederhana, yang dapat dihubungkan dengan transduser gerakan sesuai untuk menghasilkan sinyal listrik yang sebanding dengan permukaan cairan Beberapa metode tidak langsung meliputi pengukuran (permukaan), tekanan, pengukuran kerapatan (densitas), pengukuran tinggi permukaan dengan pemberat, dan lainlain. Sistem pengindera tekanan yang paling umum digunakan untuk mengukur permukaan-cairan dalam bejana terbuka adalah sistem gelembung, sistem kotakdiagfragma, dan sistem perangkap-udara. Sistem gelembung memenuhi syarat bagi semua
Universitas Sumatera Utara
cairan, bahkan untuk cairan yang korosif dan semua cairan yang mengandung benda padat yang sudah larut. Pada pabrik kimia, banyak tangki dan tabung dipakai untuk menyimpan bahan baku dan produk berupa cairan. Penyimpanan perlu diketahui volume dan inventarisnya. Proses fluida dalam fase cair terus-menerus ditampung atau dialirkan ke tangki atau tabung penyimpanan. Permukaan cairan dalam tangki harus dibuat setabil agar operasi dalam pabrik dapat setabil. Banyaknya cairan yang terdapat dalam tangki dapat diketahui dengan mendeteksi tinggi dari permukaan cairan dalam tangki proses. Permukaan cairan dibuat tetap dengan mengendalikan laju arus cairan yang dilakukan dari dasar tangki menggunakan control valve. Rangkaian kendali permukaan cairan terdiri atas detektor, controller, converter dan control valve.
2.2. Jenis-Jenis Alat Ukur Tinggi Permukaan Cairan Dalam mengukur tinggi permukaan cairan dalam suatu tangki pemrosesan maupun dalam tangki penimbunan dipergunakan alat ukur tinggi permukaan cairan yang sesuai dengan bentuk penggunaannya. Alat ukur permukaan cairan terdiri dari beberapa jenis diantaranya : 1. Mistar Ukur Suatu batang dengan skala yang telah dikalibrasi dicelupkan secara vertikal dari atas ke dalam cairan yang akan diukur, atau dimasukkan sampai terjadi sentuhan antara permukaan cairan dan ujung mistar ukur. Ketinggian permukaan pada hal pertama dibaca pada batas
Universitas Sumatera Utara
pembasahan mistar, pada hal kedua pada suatu titik acuan tertentu (misalnya pinggiran wadah). Nilai ukur tergantung pada besar dan bentuk wadah. Mistar ukur hanya boleh digunakan untuk wadah yang sebelumnya dipakai untuk mengkalibrasi mistar yang bersangkutan. Apabila digunakan mistar ukur yang salah atau cara pencelupan yang tidak betul (misalnya miring), nilai ukur akan menjadi salah pula. Mistar ukur merupakan alat ukur yang paling sederhana untuk cairan dalam wadah terbuka yang tidak terlalu tinggi. Tidak cocok untuk pengukuran yang harus dilakukan seringkali dan menuntut ketelitian tinggi. Juga tidak cocok untuk pengukuran dalam bejana bertekanan atau vakum atau berisi cairan berbusa. 2. Kaca Intip, Pipa Gelas Vertikal Dengan memasang kaca pada dinding bejana (berdasarkan alasan keselamatan kaca dibuat ganda), tinggi permukaan dapat dilihat langsung secara visual. Karena pembersihan dan reparasi kaca intip lebih sulit, sering digunakan pipa gelas (gelas duga) yang dipasang vertikal pada bagian luar bejana. Ujung atas dan ujung bawah dihubungkan dengan bagian dalam bejana. Hubungan tersebut dapat dibuka atau ditutup dengan menggunakan organ penyekat. Ketinggian cairan dalam pipa sama dengan ketinggian dalam bejana (prinsip bejana berhubungan) serta dapat dibaca langsung pada skala dari pipa. Organ penyekat pada ujung bawah berfungsi untuk mencegah pengeluaran cairan bila pipa rusak dan hanya boleh dibuka sewaktu pembacaan nilai ukur. Pada penggunaan pipa gelas selalu terdapat bahaya perusak mekanik. Pipa gelas vertikal hanya digunakan apabila tidak diperlukan penunjuk jarak jauh tidak ada tekanan tinggi atau perubahan temperatur yang tajam, dan bila pembacaan nilai ukur
Universitas Sumatera Utara
secara langsung betul-betul dimungkinkan. Alat ini tidak cocok untuk cairan dengan viskositas tinggi atau cairan yang mengotori pipa gelas. Apabila pipa gelas vertikal tidak dapat digunakan, bisa dipasang pipa logam yang tidak bersifat magnetik. Pipa logam diisi benda apung magnetik. Kedudukan benda apung sesuai dengan ketinggian permukaan cairan dalam bejana. Tinggi permukaan ini dapat dilihat secara tidak langsung dengan bermacam-macam cara : keping-keping magnet terbungkus plastik dipasang paralel dengan pipa logam. Keping-keping akan membalik bila benda apung berada didekatnya. Kedua sisi keping memiliki warna yang berbeda, sehingga dengan melihat warna tersebut posisi benda apung magnetik, yang berarti tinggi permukaan, dapat diketahui. Hal ini tetap dapat diamati dari jarak yang jauh. Suatu bola baja (berongga, berat jenisnya disesuaikan) diapungkan pada cairan dalam sebuah pipa kaca atau plastik dengan ketinggian yang sama dengan benda apung magnetik. Bola tersebut menunjukkan cairan. Namun cara ini sensitif terhadap getaran. Dengan memasang saklar magnet, pipa ukur dengan benda apung magnetik dapat juga memberi sinyal bila nilai batas tercapai.
Gbr.2.1 Alat Ukur Tinggi Permukaan dengan Menggunakan Kaca Intip
Universitas Sumatera Utara
3. Alat Ukur dengan Benda Apung Suatu benda apung (berongga) akan langsung bergerak mengikuti perubahan tinggi cairan. Gerakan benda apung disampaikan ke alat penunjuk dengan bermacam-macam cara. Pada benda apung dipasang batang vertikal yang ujungnya menunjuk pada skala yang sudah dikalibrasi. Cara ini cocok untuk wadah kecil yang terbuka, kadang-kadang digunakan sebagai penunjuk harga batas untuk sistem tertutup dengan saklar mekanik melalui katrol. Benda apung dipasang pada suatu logam ungkit. Gerakannya diperkecil oleh suatu tuas dan kemudian dipindahkan ke alat penunjuk. Pemindahan secara mekanik ke alat penunjuk pada sistem tertutup dilakukan dengan menggunakan kopling magnet. Pemindahan secara pneumatik menggunakan transmiter mekanik/pneumatik. Penunjuk jarak jauh dan pemberian sinyal pada nilai batas (alarm), juga bisa dilakukan. Benda apung dengan lengan ungkit tidak cocok untuk bejana yang tinggi dan sempit. Korosi atau pengotoran dapat menyebabkan sistem tuas menjadi macet. Bila terjadi korosi bola apung bisa terisi cairan. Penyampaian gerakan secara elektrik dengan transmiter mekanik atau elektrik, penunjuk jarak jauh, pemberi sinyal pada harga-harga batas (alarm), sambungan ke alat pengatur. 4. Alat Ukur dengan Benda Celup Pada alat ini, suatu pegas digantungi benda celup silinder. Tergantung pada ketinggian cairan dalam bejana, gaya berat yang membebani pegas menjadi lebih kecil sesuai dengan besarnya gaya apung. Perubahan panjang pegas bisa dipindahkan ke alat penunjuk secara mekanik, pneumatik, magnetik atau elektik.
Universitas Sumatera Utara
Gaya apung pada benda celup tergantung pada berat jenis cairan. Dengan demikian pengukuran juga tergantung pada berat jenis cairan. Benda celup juga cocok untuk bejana yang tinggi dan sempit. 5. Alat Ukur Tekanan dan Beda Tekanan Tekanan hidrostatik pada dasar suatu bejana tergantung pada berat jenis dan ketinggian cairan. Tekanan ini diukur dengan manometer. Pada bejana tertutup dan bertekanan, yang diukur adalah beda tekanan antara dasar bejana dan ruang di atas cairan. Perbedaan tekanan ini dapat dilihat dari rumus : P = P1 + P2 Dimana : P
(2.1)
= Tekanan di dalam tangki (Pa).
P1 = Tekanan di atas cairan, yaitu tekanan udara yang menekan cairan (Pa). P2 = Tekanan di dalam cairan (Pa). P2 = . g . h [ = massa jenis cairan (kg/m3). h = tinggi cairan (m)]. Pengukuran ini juga dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gbr. 2.2 Gambar Pengukuran dengan Alat Ukur Beda Tekanan
Universitas Sumatera Utara
Cara ini tergantung pada berat jenis. Sebagai kerugiannya, bagian bawah bejana perlu dipasangi flens (karena terdapat bahaya kebocoran). Penunjuk jarak jauh atau pemberi sinyal pada nilai-nilai batas (alarm) dengan transmiter hidrolik elektrik atau hidrolik pneumatik. Dengan sistem gas tiup juga dapat ditentukan tekanan hidrostatik. Udara atau gas inert ditiup melalui pentil serta pipa yang tercelup ke dalam bejana. Ujung pipa hampir mencapai dasar bejana dan tekanan yang diukur dengan manometer pada posisi sesudah pentil menunjukkan tekanan hidrostatik pada dasar bejana. Berat jenis berpengaruh pada metode ini. Cocok juga untuk cairan yang korosif, kotor dan berviskositas tinggi dalam bejana yang berventilasi (sering untuk tangki minyak). Manometer dapat dikalibrasi langsung dalam satuan volume. 6. Pengukuran dengan Pancaran Radioaktif Isotop radioaktif (Cobalt 60, Cesium 137) ditaruh dalam bejana yang kedap radioaktif. Dari bejana tersebut pancaran dikeluarkan hanya ke arah tempat pengukuran. Bejana tersebut biasanya dipasang di luar bejana penyimpanan (silo, tangki). Sinar gamma menembus bejana atau mungkin juga isinya, mengenai detektor yang terletak berseberangan dengan sumber pancaran. Pancaran tersebut ditangkap oleh tempat pengukuran, tempat pengukuran menangkap frekwensi dari sinar gamma tersebut. Hal ini dapat diperhatikan pada gbr 2.3.
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2.3 Keterpasangan Sensor Radioaktif pada Pengukuran Tinggi Cairan Permukaan Tangki Keterangan Gambar : - Radiation Path
: Garis pancaran radiasi
- Source and Holder
: Sumber radiasi
- Detector
: Pendeteksi pancaran radiasi
- Platform
: Dinding tangki
-Vessel Clip
: Flens pengunci
- Elevation
: Jarak antara sumber radiasi dengan pendeteksi
- Maz,Min Liquid Level
: Maksimum dan minimum ketinggian tangki
- Plan View
: Perencanaan keterpasangan pengukuran.
Universitas Sumatera Utara
Frekwensi tersebut akan menunjukkan besar jarak yang ditempuh oleh sinar gamma. Hal ini dapat dilihat dari rumus : S = k . c . f/2 Dimana : S
(2.2)
= Jarak yang ditempuh oleh sinar gamma (m).
k
= Konstanta dari bahan isotop.
c
= Kecepatan pancaran sinar gamma. (m/det).
f = Perbedaan frekwensi yang dihasilkan oleh sinar gamma (Hz). Melalui suatu penguat, detektor mengirimkan arus yang besarnya tergantung pada tinggi bahan proses dalam bejana, yaitu apakah di atas atau di bawah berkas sinar gamma. Metode ini tergantung pada bahan dan berat jenis. Penggunaan susbstansi radioaktif diatur dengan undang-undang mengenai radiasi. Penggunaannya terutama untuk pengukuran nilai batas. Untuk pengukuran kontinu diperlukan sepasang sumber-penerima yang dapat digerakkan ke arah vertikal, dengan kedudukan senantiasa dicatat. Alat tersebut digunakan bila cara lain tidak cocok (misalnya karena tekanan terlalu tinggi, biji-bijian terlalu besar, bahan beracun atau terlalu viskos). Dalam bejana tidak perlu dipasang perlengkapan untuk pengukuran (pengukuran tanpa sentuhan).
Universitas Sumatera Utara
Gbr.2.4 Alat Ukur Tinggi Permukaan dengan Menggunakan Pancaran Radioaktif 7. Pengukuran dengan Ultrasonik Sumber yang dipasang pada bejana terus-menerus mengirimkan getaran ultrasonik (getaran yang tidak dapat didengar, mempunyai frekuensi sangat tinggi) ke alat penerima yang dipasang berseberangan dengan sumber. Getaran tersebut terputus bila isi bejana yang berbentuk padat atau cair melewati posisi pemasangan sumber. Terputusnya getaran diubah menjadi sinyal listrik yang ditunjukkan pada alat ukur atau diolah dengan cara lain. Kecepatan suara sangat mempengaruhi pengukuran dengan ultrasonik. Peraturan yang utama dari pengukuran ultrasonik ini adalah berat jenis yang lebih tinggi mempunyai kecepatan yang tinggi. Untuk pengukuran ultrasonik, pokok bahasan yang perlu dibahas adalah kecepatan suara yang mempunyai kecepatan di dalam gas. Ini dapat dilihat dari rumus :
c dimana : c
Rm(273 T) M
(2.3)
= Kapasitansi dari sensor (Farad)
Universitas Sumatera Utara
= Konstanta dari kecepatan suara (1,40 Farad/J, pada air) Rm = Konstanta gas universal (8314,3 J/kmol.K) M = Berat molekul (Kg/K) T = Temperatur (oC)
Gbr.2.5 Keterpasangan Pengukuran dengan Ultrasonic Keterangan Gambar : - Primary Element
: Elemen utama
- Stilling Well Inlet
: Dinding tempat masuknya aliran
-Stilling Well
: Dinding tangki
- Standpipe inlet
: Pipa masuknya aliran
- Blind Flange
: Flens buta
Universitas Sumatera Utara
- Transducer
: Sensor ultrasonik
-Air Vent
: Fentilasi udara
- Bracing
: Baut pengikat
Metode pengukuran ini digunakan untuk menentukan ketinggian permukaan (dengan sepasang sumber-penerima yang dapat bergerak ke arah vertikal) atau untuk memberi sinyal yang berkaitan dengan nilai batas. Alat pengukur gema ultrasonik juga bekerja dengan getaran ultrasonik. Dari suatu alat ultrasonik dikirim impuls ke permukaan bahan dalam bejana. Oleh bahan, impuls dipantulkan ke alat ukur. Waktu tempuh yang terukur memberikan informasi tentang tinggi cairan atau bahan padat dalam bejana. Alat tersebut tidak cocok untuk cairan yang berbusa atau yang permukaannya sangat mudah bergerak.
Gbr.2.6 Pengukuran dengan Cara Ultrasonik
Universitas Sumatera Utara
8. Pengukuran Kapasitif Kondensator listrik (kapasitor) terbentuk antara suatu probe yang dimasukkan ke dalam bejana dan dinding bejana. Bejana diisolasi secara elektrik. Besarnya arus bolak-balik berfrekuensi tinggi yang mengalir melalui kondensator tergantung pada ketinggian bahan proses yang terdapat diantara probe dan dinding. Pada gbr. 2.7, dapat dilihat disain struktur dari probe yang dimasukkan ke dalam bejana.
Gbr. 2.7 Gambar Disain Struktur Probe Keterangan gambar : - Coating
: Lapisan probe
- Insulation
: Isolasi probe
- Vessel Wall
: Dinding bejana
- No Current Flow
: Tidak ada arus listrik
- MeasuringSection (+5V)
: Bagian Pengukuran
- Driven Shield
: Pelindung dalam probe
- Current Path Through Level : Arus yang mengalir pada permukaan cairan
Universitas Sumatera Utara
Dengan saklar listrik dan penguat dihasilkan sinyal listrk yang sebanding dengan besarnya arus. Sinyal listrik tersebut ditunjukkan pada alat ukur atau dipindahkan ke transmiter atau regulator. Untuk pengukuran ketinggian permukaan atau pemberi alarm dari nilai batas bahan padat dan cair. Untuk cairan yang menghantarkan listrik perlu probe yang diisolasi. Cara ini tergantung pada bahan dan berat jenisnya. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat dari rumus dibawah ini :
C 0,225 ε
A d
(2.4)
dimana: C = kapasitansi yang dihasilkan oleh sensor kapasitif, Farad. A = luas tumpang tindih antara plat yang menghasilkan kapasitansi, m2.
d = jarak antara plat, m.
o = konstanta dielektrik udara, Farad/m. dari rumus dapat diketahui bahwa sensor kapasitif adalah sebuah elektroda yang terpasang didalam tangki dan terisolasi oleh elektroda kedua yaitu dinding tangki tersebut yang berfungsi juga sebagai ground. Cairan dalam tangki berfungsi sebagai cairan dielektrik. Perubahan tinggi cairan akan mempengaruhi besarnya kapasitansi yang dihasilkan oleh sebuah elektroda dan dinding tangki. Konstanta dielektrik diantara kedua elektroda itu berubah menurut tinggi permukaan cairan dalam tangki. Karena perubahan kapasitansi tersebut, akan didapat suatu nilai besaran yang akan diukur. Nilai besaran yang diukur tersebut akan dirubah menjadi sinyal digital oleh transmitter.
Universitas Sumatera Utara
19
Gbr.2.8 Alat Ukur Tinggi Permukaan dengan Pengukuran Kapasitif
19
Universitas Sumatera Utara
