Pengukur aliran ultrasonik gas mengacu pada pengukur aliran yang dipasang pada pipa dengan gas yang mengalir dan mengukur aliran gas melalui prinsip ultrasonik. Pengukur aliran ultrasonik gas-jalur tunggal mengacu pada perangkat yang dilengkapi hanya dengan satu jalur akustik, sedangkan pengukur aliran ultrasonik gas dengan dua atau lebih jalur akustik disebut pengukur aliran ultrasonik gas multi-jalur.
Prinsip dasar pengukuran kecepatan aliran dengan flowmeter ultrasonik gas adalah menghitung kecepatan aliran, laju aliran, densitas dan parameter lain dari fluida gas dengan mengukur waktu rambat gelombang ultrasonik dalam media gas. Bab ini terutama menganalisis prinsip pengoperasian pengukuran aliran ultrasonik-waktu transit dan faktor-faktor yang mempengaruhi pengukuran aliran, dan melakukan studi simulasi tentang cara meningkatkan akurasi-pengukuran aliran, sehingga dapat membuat persiapan untuk studi metode pengukuran-aliran ultrasonik gas multi-jalur dan pemodelan mekanisme.
Analisis Prinsip Operasi Transit-Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Waktu
Metode pengukuran-waktu aliran gas ultrasonik-adalah metode pengukuran-aliran gas yang mana, pada panjang jalur gas yang sama, perbedaan waktu-perambatan antara dua sinyal ultrasonik yang bergerak ke hilir dan ke hulu digunakan untuk menentukan kecepatan aliran gas rata-rata di sepanjang jalur akustik. Ketika gelombang ultrasonik merambat dalam media gas yang mengalir, kecepatan rambatnya bervariasi sesuai dengan kecepatan aliran gas.
Lebih khusus lagi, kecepatan rambat gelombang ultrasonik berubah searah dengan kecepatan aliran gas: ketika kecepatan aliran gas meningkat, kecepatan rambat gelombang ultrasonik dalam arah yang sama juga meningkat; sebaliknya, jika kecepatan aliran gas meningkat dan berlawanan dengan arah rambat ultrasonik, maka kecepatan ultrasonik akan menurun.
Struktur Dasar Pipa Ultrasonik-Sensor Aliran
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.1, dua transduser ultrasonik yang mampu mentransmisikan dan menerima pulsa ultrasonik (disebut sebagai probe atau transduser) tertanam di satu sisi atau di kedua sisi pipa. Jalur sebenarnya dari sinyal ultrasonik antara transduser pemancar dan penerima disebut jalur akustik; dengan demikian, sepasang transduser membentuk satu jalur akustik. Membran pemancar suara-atau bagian dinding pandu gelombang akustik disusun antara transduser dan media fluida. Dalam pengukur aliran ultrasonik-jalur tunggal, garis pandu gelombang antara dua transduser ultrasonik memotong sumbu instrumen.
Gambar. 2.1 Diagram skema prinsip pengukuran aliran ultrasonik-waktu transit
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.1, diameter pipa adalah D. Jarak-garis lurus antara permukaan ujung transduser A dan B yang tertanam di kedua sisi pipa adalah panjang jalur-akustik L (disebut juga jarak akustik L), dan hubungannya dengan diameter D adalah
Gambar. 2.1 Hubungan geometris antara pengukur aliran ultrasonik-akustik dan diameter pipa-waktu transit
dimana φ adalah sudut kemiringan jalur akustik, yaitu sudut antara jalur akustik dengan sumbu pipa. Sudut kemiringan jalur akustik juga merupakan sudut datang gelombang ultrasonik. Sudut datang φ dipengaruhi oleh kecepatan suara di dalam fluida, serta kecepatan suara di baji dan material dinding pipa-.
Secara umum variasi cepat rambat bunyi terhadap suhu pada benda padat lebih kecil dibandingkan pada benda gas. Bila variasi suhu tidak besar, pengaruh material dinding baji dan pipa terhadap akurasi pengukuran dapat diabaikan; namun, bila rentang variasi suhu besar, perubahan besar pada kecepatan suara pada material dinding baji dan pipa harus diperbaiki.
Untuk transduser dengan sudut datang 30 derajat, koefisien transmisinya relatif tinggi, kehilangan energinya kecil, dan tegangan eksitasi yang dibutuhkan rendah. Transduser semacam ini cocok untuk pengukur aliran ultrasonik genggam yang tidak nyaman untuk menggunakan catu daya AC. Transduser dengan sudut datang 45 derajat memiliki koefisien transmisi yang relatif rendah tetapi dapat menggunakan chip transduser yang lebih besar dan tegangan eksitasi yang lebih tinggi, sehingga cocok untuk pengukur aliran ultrasonik tetap atau yang dapat menggunakan catu daya AC.
Prinsip Operasi Transit-Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Waktu
Teknologi pengukuran-aliran gas ultrasonik waktu-transit menentukan kecepatan aliran rata-rata aksial Vz pada bidang yang dibentuk oleh jalur akustik dan sumbu, dengan mengukur perbedaan waktu antara gelombang ultrasonik yang merambat ke hilir dan ke hulu dalam media gas. Waktu transit gelombang ultrasonik berbeda pada arah hilir dan hulu. Waktu transit hilir adalah :
Gambar. 2.2 persamaan waktu transit ultrasonik hilir
dan waktu transit hulu adalah
Gambar. 2.3 persamaan waktu transit ultrasonik hulu
dimana C adalah kecepatan suara gelombang ultrasonik dalam fluida terukur stasioner, yaitu kecepatan suara; Vz adalah kecepatan aliran rata-rata fluida dalam arah aksial pada bidang yang dibentuk oleh jalur ultrasonik dan sumbu pipa, disebut juga jalur-kecepatan rata-rata.
Bila pengaruh variasi-kecepatan suara akibat lingkungan internal pipa tidak dipertimbangkan, ekspresi kecepatan rata-rata-jalurnya adalah
Gambar. 2.4 Ekspresi jalur-kecepatan aksial rata-rata
Dengan mengukur waktu transit hilir tD dan waktu transit hulu tU gelombang ultrasonik, diperoleh perbedaan waktu antara rambat hulu dan hilir sebagai
Gambar. 2.5 Definisi transit hulu–hilir-perbedaan waktu
Dengan menggunakan metode-waktu transit, kecepatan-rata-rata jalur dari satu jalur akustik dapat diperoleh. Berdasarkan kecepatan rata-rata jalur akustik yang berbeda, dan menggunakan algoritme yang sesuai, kecepatan rata-rata yang tegak lurus terhadap keseluruhan penampang dapat dihitung, yang disebut kecepatan rata-rata volume-V.
Metode pengukuran kecepatan rata-rata (volume) cairan pipa V dengan mengukur-perbedaan waktu transit antara perambatan ultrasonik hulu dan hilir disebut metode pengukuran-waktu transit aliran ultrasonik-. Pengukur aliran yang mengukur aliran cairan pipa menggunakan metode ultrasonik waktu transit disebut sebagai pengukur aliran ultrasonik waktu transit.
Hubungan antara jalur-kecepatan rata-rata pada jalur akustik pengukur aliran ultrasonik-waktu transit dan kecepatan rata-rata-volume dalam pipa adalah
Gambar. 2.6 Definisi faktor koreksi kecepatan aliran-
di mana K disebut-faktor koreksi kecepatan aliran. Faktor koreksi kecepatan aliran-berasal dari model matematis profil distribusi kecepatan pada bagian pengukuran flowmeter. Menurut rezim aliran gas di dalam pipa, faktor koreksi kecepatan aliran-dapat diperoleh. Jadi, dari persamaan (2.4) dan (2.6), kecepatan rata-rata gas di dalam pipa adalah
Gambar. 2.7 Hubungan antara pipa-kecepatan rata-rata dan jalur-kecepatan rata-rata
Laju aliran volumetrik dapat diperoleh dari persamaan (2.7) sebagai
Gambar. 2.8 persamaan laju aliran volumetrik-
di mana A adalah-luas penampang pipa.
Setelah tekanan dan suhu dikompensasikan dengan laju aliran volumetrik, laju aliran massa dapat diperoleh sebagai
Gambar. 2.9 Persamaan laju aliran-massa dengan koreksi tekanan–suhu–kompresibilitas
dimana Z adalah faktor kompresibilitas gas; P0 dan P masing-masing adalah parameter tekanan pada kondisi standar dan kondisi aktual; T0 dan T masing-masing adalah nilai suhu pada kondisi standar dan kondisi aktual; dan ρ0 adalah massa jenis medium gas pada kondisi standar.
Setelah kecepatan aliran diperoleh, volume fluida yang melewati pipa dengan diameter tertentu selama periode tertentu dapat dihitung. Volume aliran F yang melewati pipa dalam 1 jam adalah 79:
Gambar. 2.10 Volume cairan setiap jam melalui pipa berdasarkan prinsip kerja-pengukuran waktu-waktu transit pengukur aliran ultrasonik
Prinsip Operasi Dasar Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik Multi-Jalur
Pengukur aliran ultrasonik gas dapat dibagi menjadi jenis-jalur tunggal dan multi-jalur, keduanya didasarkan pada prinsip waktu-transit untuk pengukuran aliran ultrasonik. Saat ini, di antara produk sejenis di luar negeri, jumlah jalur akustiknya bisa sebanyak enam. Dalam flowmeter ultrasonik multi-jalur, ViV_iVi mewakili jalur-kecepatan rata-rata pada jalur akustik ke-iii-. Hal ini diperoleh dengan mengukur waktu transit ultrasonik hilir dan hulu, menghitung perbedaan waktu di antara keduanya, lalu menghitung kecepatan-rata-rata jalurnya.
Berdasarkan hubungan antara-kecepatan rata-rata jalur setiap jalur akustik dan faktor koreksi-kecepatan aliran, kecepatan-rata-rata volume gas dalam pipa dapat diperkirakan sebagai
Gambar. 2.11 Multi-persamaan kecepatan rata-rata tertimbang jalur-cara kerja pengukur aliran ultrasonik
dimana WiW_iWi adalah koefisien pembobotan setiap jalur akustik, dan nilainya bergantung pada algoritma integrasi yang diadopsi.
Gambar. 2.12 Multi-aliran volumetrik jalur-persamaan laju-pengukur aliran ultrasonik cara kerjanya
Secara teori, semakin banyak jalur akustik, semakin tinggi akurasi pengukurannya. Namun, pengalaman praktis telah menunjukkan bahwa ketika jumlah jalur akustik di seluruh-penampang mencapai empat, penambahan jumlah jalur akan memberikan kontribusi yang sangat kecil terhadap peningkatan akurasi, sekaligus meningkatkan biaya produksi secara signifikan.
Analisis Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Pengukuran Aliran Gas Ultrasonik
Menurut rumus perhitungan-kecepatan aliran dan-laju aliran pengukur aliran ultrasonik gas, kecepatan aliran atau laju aliran berkaitan dengan beberapa aspek, seperti parameter geometrik pipa pengukur, faktor koreksi-kecepatan aliran (atau koefisien pembobotan), dan nilai terukur dari waktu propagasi ultrasonik. Analisis berikut dilakukan dari aspek-aspek tersebut.
Koreksi Aliran-Faktor Kecepatan dan Peningkatan Akurasi Pengukuran
Dalam pengukur aliran ultrasonik gas waktu transit yang disebutkan di atas, studi didasarkan pada keadaan ideal di mana kecepatan rata-rata jalur terdistribusi secara merata pada penampang pipa. Dalam situasi praktis, karena distribusi kecepatan fluida yang tidak seragam di seluruh penampang pipa, kecepatan yang diperoleh dengan perhitungan sebenarnya adalah kecepatan rata-rata jalur sepanjang arah rambat ultrasonik dan arah aksial, yang diperoleh dari perbedaan waktu transit ultrasonik yang diukur. Laju aliran volumetrik akhir yang dihitung pasti akan menghasilkan kesalahan. Untuk memastikan akurasi pengukuran, penting untuk menentukan hubungan antara keduanya dan mengoreksi kecepatan aktual yang diukur menggunakan prinsip{10}}mekanika fluida; yaitu,-faktor koreksi laju aliran K dimasukkan saat mengukur dengan pengukur aliran volumetrik.
Karena kompleksitas keadaan-aliran fluida dalam pipa, distribusi kecepatan yang dihasilkan juga rumit . Penelitian saat ini terutama terbatas pada distribusi kecepatan pada kondisi ideal, yaitu distribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliran turbulen berkembang penuh pada pipa halus. Aliran laminar dan aliran turbulen adalah dua keadaan aliran mendasar fluida dalam pipa. Aliran laminar mengacu pada keadaan di mana partikel fluida tidak mempunyai gerak transversal dan hanya gerak aksial yang dipertimbangkan; aliran turbulen mengacu pada keadaan di mana partikel fluida memiliki gerakan aksial dan transversal. Karena karakteristik aliran berbeda pada keadaan aliran pipa yang berbeda, maka diperoleh distribusi kecepatan yang berbeda.
Karakteristik aliran suatu fluida secara bersama-sama dipengaruhi oleh kecepatan rata-rata dalam pipa, viskositas kinematik, dan diameter pipa, sedangkan bilangan Reynolds ReReRe merupakan indeks penting untuk mengevaluasi keadaan aliran. Ketika Re<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>2300, fluida mulai bertransisi ke keadaan turbulen, dan daerah transisi ini umumnya juga dianggap sebagai aliran turbulen.
Pertanyaan Umum
Apa yang dimaksud dengan pengukur aliran gas ultrasonik{0}}waktu transit?
Pengukur aliran gas ultrasonik waktu transit mengukur aliran gas dengan mengirimkan pulsa ultrasonik ke hilir dan hulu dan menghitung kecepatan aliran dari perbedaan waktu transitnya.
Apa perbedaan antara pengukur aliran ultrasonik-jalur tunggal dan multi-jalur?
Pengukur aliran-jalur tunggal menggunakan sepasang transduser dan satu jalur akustik, sedangkan pengukur aliran-jalur multi menggunakan beberapa jalur akustik pada ketinggian atau sudut berbeda untuk menangkap profil kecepatan dengan lebih baik dan meningkatkan akurasi.
Mengapa faktor-koreksi kecepatan aliran diperlukan?
Karena distribusi kecepatan dalam pipa tidak seragam sempurna, kecepatan yang diukur sepanjang jalur akustik tunggal tidak sama dengan kecepatan rata-rata penampang{0}}penampang. Faktor koreksi menghubungkan keduanya.
Faktor apa saja yang mempengaruhi akurasi pengukuran aliran gas ultrasonik?
Faktor kuncinya meliputi distorsi profil kecepatan, kondisi pemasangan, bilangan Reynolds, komposisi gas dan kecepatan suara, perubahan suhu dan tekanan, serta kesalahan pemrosesan sinyal.
