Orifice Plate

Berbagai jenis primary element yang tersedia dipasaran untuk DP flowmeters salah satunya adalah 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 jenis element tersebut dapat dilihat di bawah.

Orifice Plates

Suatu plate berlubang dimasukkan ke dalam pipa dan ditempatkan secara tegak lurus terhadap flow stream. Ketika fluida mengalir melewati orifice plate tersebut maka menyebabkan peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan. Perbedaan tekanan sebelum dan setelah orifice plate digunakan untuk mengkalkulasi kecepatan aliran (flow velocity).

                               Gambar Orifice Plates

1) Orifice Plate Plate Calculation

Kalkulasi untuk orifice plate mengacu pada standard :

· API “Manual of Petroleum Measurement Standards”, Chapter 14.3 ANSI/API 2530 (AGA Gas Measurement Committee Report No. 31).

· L.K. Spink, “Principles and Practice of Flow Meter Engineering, nineth edition. L.K. Spink sekarang ini tidak diterbitkan lagi dan digantikan oleh R.W. Miller, “Flow Measurement Engineering Handbook”, first edition, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, U.S.A.

Persamaan Bernoulli : Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa bila tidak ada perpindahan panas dan kerja yang dilakukan, maka energi fluida disetiap titik sepanjang pipa akan tetap konstan. Dari prinsip kekekalan energi ini dapat diturunkan persamaan Bernoulli. Persamaan energi aliran persatuan volume untuk fluida yang tidak termampatkan (incompressible), adalah :

½ ρ V² + Ps + ρ g h = konstant

Suatu aliran fluida yang melewati suatu penghalang orifice plate akan mengalami penurunan tekanan (pressure drop) pada orifice tersebut. Perubahan ini dapat digunakan untuk mengukur flowrate dari suatu fluida.

Untuk mengkalkulasi flowrate dari suatu aliran fluida yang melintas suatu orifice plate, maka sepanjang kecepatan aliran fluida adalah di bawah kecepatan subsonic (V < mach 0.3), maka persamaan Incompressible Bernoulli’s di atas dapat digunakan, sehingga :

Dimana lokasi 1 adalah hulu (upstream) dari orifice, dan lokasi 2 adalah hilir (downstream) dari orifice.

Persamaan Kontinuitas : persamaan ini menyatakan bahwa banyaknya fluida yang memasuki penampang 1 (Q1) sama dengan banyaknya fluida yang keluar penampang 2 (Q2), yang berarti :

V1 A1 = V2 A2

Dari persamaan Persamaan Bernoulli dan Persamaan Kontinuitas dapat diturunkan persamaan yang menghubungkan antara debit aliran (Q) dengan beda tekanan statis antara upstream dan downstream (p1- p2). Total head pada kedua tempat tersebut sama.

Untuk fluida yang tidak termampatkan, hubungan antara laju aliran (Q) yang diukur dengan beda tekanan (p1 - p2) adalah :

Pemecahan untuk flowrate volumetric (Q), adalah :

Persamaan di atas hanya dapat diaplikasikan untuk aliran yang sempurna (laminar, inviscid atau non viscous). Untuk aliran yang real (seperti air atau udara), karakteristik viscosity dan turbulence berpengaruh dan mengakibatkan konversi energi kinetik ke dalam panas. Untuk efek tersebut, suatu discharge coefficient (Cd) diperkenalkan ke dalam persamaan tersebut di atas untuk secara garis besar mengurangi flowrate (Q).

Oleh karena profil aliran yang nyata pada lokasi 2 (downstream) dari orifice adalah sangat kompleks, maka dengan demikian dibuat suatu nilai yang efektif untuk mengganti A2 yang tidak pasti, yaitu flow coefficient (Cf),

Dimana Ao adalah dari orifice. Sebagai hasilnya, persamaan flowrate volumetric (Q) untuk flow yang real, adalah :

Flow coefficient (Cf) didapatkan dari eksperimen (dapat dilihat pada table yang sudah disusun pada buku-buku reference), nilai Cf terbentang dari 0.6 sampai 0.9 untuk kebanyakan jenis orifice. Oleh karena itu tergantung pada orifice dan diameter pipa (seperti halnya Reynolds Nomors). Biasanya di dalam table Cf adalah perbandingan diameter orifice dan diameter inlet pipa, kadang-kadang didefenisikan sebagai β, yaitu :

Mass flowrate (Q mass) dapat ditentukan dengan perkalian flowrate

volumetric (Q) dengan fluid density (ρ), yaitu :

Catatan :

- General Process Flow Measurement :

β ratio = d / D, didalam batas 0.25 – 0.75

- Custody Transfer Flow Measurement :

β ratio = d / D, didalam batas 0.4 – 0.6 (lebih disukai mendekati 0.5)

Untuk fluida yang termampatkan (compressible), berlaku hubungan

sebagai berikut :

Dimana :

G = Laju aliran massa

Y = Faktor ekspansi, tergantung pada kalor jenis dan tekanan fluida.

2) Jenis-jenis Orifice Plate

· Concentric Orifice

Letak lubang penghalang konsentris dengan penampang pipa. Digunakan untuk mengukur volume gas, liquid dan steam dalam jumlah yang besar.

                      Gambar Orifice Plate jenis Concentric

Kelebihan

· Dapat digunakan pada berbagai ukuran pipa (range yang lebar).

· Ketelitian (accuracy) baik, jika plate dipasang dengan baik.

· Harga relative murah.

Kekurangan

· Rugi tekanan (pressure drop) relatif tinggi.

· Tidak dapat digunakan untuk mengukur laju aliran “slurry”, karena cenderung terjadi penyumbatan.

· Eccentric Orifice

Titik pusat lubang penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa. Pemasangan lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika fluida yang diukur membawa berbagai benda padat (solid).

     Gambar Eccentric Orifice

· Segmental Orifice

Segmental orifice plates digunakan terutama pada service yang sama dengan eccentric orifices, sehingga kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama.

Gambar Segmental Orifice