Flowmeter adalah alat untuk mengukur volume dan kecepatan aliran dari suatu fluida baik cairan atau gas baik bertemperatur rendah hingga temperatur tinggi dalam pipa atau sambungan terbuka. Umumnya, flow meterterdiri dari dua bagian yaitu primary device yang menghasilkan sinyal yang sebandingdengan data laju aliran yang terukur dan secondary device yang merupakan alat bantusekunder sebagai penerima sinyal dari primary device untuk lalu ditampilkan, direkam,dan/atau ditransmisikan sebagai hasil pengukuran dari laju aliran. Flow meter dapat dikelompokan berdasarkan prinsip kerjanya

Jenis-jenis flowmeter antara lain :

1. Flowmeter mekanik, terdiri dari Piston meter, Gear meter, Variabel area meter, Turbine flowmeter, Woltmann meter, Single jet meter, Paddle wheel meter, Multiple jet meter, Pelton wheel, dan Current meter.

2. Flowmeter berbasis Tekanan, terdiri dari Venturi meter, Orifice Plate, Dall tube, Pitot tube, Multi-hole pressure tube, dan Cone meter

3. Vortex flowmeter, Open Channel flowmeter, Electromagnetic flowmeter, Ultrasonic flowmeter, dan Coriolis flowmeter.

Dalam menentukan besaran-besaran yang diukur menggunakan berbagai jenis flowmeter di atas, prinsip pengukurannya menggunakan prinsip-prinsip dasar dalam bidang ilmu Fisika, khususnya pada cabang ilmu Mekanika Fluida.

Fluida adalah zat yang dapat mengalami perubahan bentuk secara kontinu bila terkena tegangan geser walaupun relative kecil. Ciri-ciri dari fluida yaitu mudah mengalami deformasi, memiliki kemampuan untuk mengalir, dan dapat bebas mengisi ruang yang ditempatinya. Secara umum zat yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas.

Mekanika fluida terdiri dari dua jenis yaitu fluida statik dan fluida dinamik. Fluida static yaitu ilmu yang mempelajari fluida pada saat keadaan diam, sedangkan fluida dinamik mempelajari pada saat fluida tersebut bergerak. Pengukuran yang dilakukan oleh flowmeter menerapkan kedua prinsip tersebut.

Pada tulisan ini akan dibahas prinsip-prinsip yang digunakan dalam pengukuran oleh flowmeter dalam mengukur besaran-besaran yang dibutuhkan.

1. Prinsip Bernoulli.

Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa untuk aliran fluida ideal, peningkatan kecepatan alir fluida terjadi bersamaan dengan penurunan tekanan atau penurunan energy potensial fluida. Prinsip ini dapat diterapkan ke berbagai jenis aliran fluida, yang kemudian dikenal dengan “Persamaan Bernoulli”.

Prinsip Bernoulli dapat diturunkan dari prinsip Konservasi Energi yang menyatakan bahwa total dari semua bentuk energi mekanik dalam cairan sepanjang aliran adalah sama pada semua titik. Prinsip ini juga dapat langsung diturunkan dari Hukum kedua Newton. Jika volume cairan mengalir horizontal dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah, makan ada lebih

banyak tekanan di belakang daripada di depan. Hal ini memberikan gaya total pada volume, dan mengakibatkan percepatan sepanjang alirannya.

Gambar 1. Sebuah pipa aliran di mana cairan bergerak ke kanan. Besaran yang ditunjukkan adalah tekanan, ketinggian, kecepatan aliran, jarak, dan luas penampang

Bagian sebelah kiri pipa mempunyai luas penampang A1 dan sebelah kanan pipa mempunyai luas penampang A2. Fluida mengalir disebabkan oleh perbedaan tekanan yang terjadi padanya. Pada bagian kiri fluida terdorong sepanjang s1 akibat adanya tekanan p1, sedangkan pada bagian kanan dalam selang waktu yang sama akan berpindah sepanjang s2.

Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut :

atau

= konstan

Karena fluida yang berada di sepanjang aliran adalah sama, maka persamaan di atas dapat dituliskan :

p/ρ + v2/2 + gh = konstan

dari persamaan pertama di atas dapat digabungkan dengan persamaan kontinuitas :

A1v1 = A2v2, menjadi :

di mana Q = laju aliran (liter/sekon)

Prinsip ini diterapkan pada beberapa jenis flowmeter yang memakai indicator perbedaan tekanan sebagai sensor untuk mengukur kecepatan dan volume aliran, yaitu Venturi meter, Orifice Plate, Dall tube, Pitot tube, Multi-hole pressure tube, flow nozzle, dan Cone meter.

Gambar 2. Prinsip kerja dasar flowmeter berbasis tekanan

2. Prinsip Archimedes

Di dalam fluida, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruh volumenya akan mengalami gaya tekan ke atas (gaya apung) sebesar berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut, yang lazim disebut gaya Archimedes. Secara matematis, prinsip Archimedes dapat diformulasikan sebagai berikut :

Fa = ρf Vbf g

di mana Fa = Gaya apung ρf = Massa jenis fluidaVbf = Volume benda yang tercelupkan

g = percepatan gravitasi bumi

Gambar di samping merupakan bagan sederhana dari prinsip pengukuran Variable area flowmeter (rotameter). Pelampung di dalam tabung akan terdorong ke atas ketika ada fluida yang mengalir. Gaya-gaya yang bekerja padanya adalah gaya aliran fluida yang dibantu dengan gaya apung, dan gaya berat pelampung tersebut. Pengukuran dilakukan dengan cara mengukur perpindahan posisi dari pelampung tersebut selama fluida mengalir.

Pengaruh viskositas fluida juga mempengaruhi laju pergerakan dari pelampung tersebut, maka dapat ditulis persamaan :

Gambar 3. Rotameter

Pada ruas kiri persamaan di atas adalah gaya berat pelampung di dalam fluida, sedangkan pada ruas kanan adalah gaya apung ditambah gaya gesek akibat viskositas fluida. Gaya gesek tersebut bergantung pada jenis aliran fluida.

Gambar 4. Aliran beraturan dan tidak beraturan

Aliran beraturan : Fd = CL μ Db UAliran tidak beraturan : Fd = CT ρ Db

2 U2

di mana CL dan CT masing-masing adalah koefisien gesek statis dan kinetis, μ adalah viskositas fluida, Db adalah diameter pelampung, dan U adalah kecepatan pada sisi pelampung.

3. Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa jika sebuah konduktor dengan panjang l bergerak dengan kecepatan v, tegak lurus dengan medan magnetic dengan kerapatan flux B, maka tegangan induksi e sepanjang ujung-ujung konduktor tersebut adalah

e = B l vHukum ini diterapkan pada flowmeter elektromagnetik seperti ditunjukkan pada gambar

di bawah ini.

Gambar 5. Prinsip pengoperasian flowmeter elektromagnetik.

Dari hukum Faraday menyatakan bahwa tegangan akan diinduksi pada konduktor yang bergerak pada medan magnetic. Pada flowmeter elektromagnetik, arah gerakan konduktor, medan magnet, dan emf terinduksi masing-masing tegak lurus pada sumbu x,y, dan z.

Elektromagnet yang terpasang di luar menciptakan medan magnet sepanjang pipa dan fluida di dalamnya. Ketika fluida mengalir dan berkonduksi memotong medan magnet, maka akan menghasilkan tegangan sepanjang jalur yang dilewati fluida di antara dua elektroda yg terletak saling berlawanan arah dalam pipa.

Gambar 6. Bagan sederhana flowmeter elektromagnetik

Pada flowmeter elektromagnetik, konduktornya adalah fluida yang mengalir di dalam pipa, dan panjang konduktor adalah jarak antara dua elektroda., yang sama dengan diameter pipa. Kecepatan konduktor sebanding dengan kecepatan alir rata-rata fluida. Dengan demikian tegangan induksinya menjadi :

E = B D vdi mana D adalah diameter pipa. Flowmeter elektromagnetik sering dikalibrasi untuk menentukan debit aliran fluida. Debit aliran fluida dirumuskan dengan :

Q = A vdengan A adalah luas penampang pipa : A = πD2/4

Sehingga persamaan induksi magnetic menjadi :e = 4BQ/πD

dan laju debit air adalah :Q = eπD/4B

4. Persamaan Drag

Gaya Drag yang terjadi akibat kontak antara fluida dengan benda padat dijelaskan dengan persamaan Drag :

di mana : FD = Gaya Drag ρ = densitas fluida

A = luas daerah acuanCD = koefisien Drag

Gambar 8. Nilai CD untuk beberapa bentuk benda

Gambar 9. Bagan sederhana Drag force flowmeter ( Target Flowmeter)

Flowmeter ini menggunakan target sebagai indikator berdasarkan pertambahan panjang (regangan).Menurut persamaan modulus elastisitas :

di mana E adalah modulus elastisitas, I adalah momen inersia, dan M adalah momen pada suatu titik sepanjang target. Dengan momen inersia targetnya adalah

di mana b adalah lebar dan a adalah ketebalan target, sehingga besar regangannya :

dengan mensubstitusi ke persamaan modulus elastisitas di atas menjadi :

Regangan pada permukaan adalah :

Dengan M = P(L-x), maka menjadi :

Mencari gaya geser P :

Dengan menggabungkan gaya drag di atas menjadi :

Maka diperoleh besarnya regangan adalah :