Pengukur Kecepatan Aliran Pipa
Tiga perangkat yang paling umum digunakan untuk mengukur laju aliran instan dalam pipa adalah meter orifis, meter nozzle, dan meter Venturi. Seperti yang dibahas dalam Bagian 3.6.3, setiap meter ini beroperasi berdasarkan prinsip bahwa penurunan luas aliran dalam pipa menyebabkan peningkatan kecepatan yang disertai dengan penurunan tekanan. Korelasi perbedaan tekanan dengan kecepatan memberikan cara untuk mengukur laju aliran. Tanpa adanya efek viscous dan dengan asumsi pipa horizontal, penerapan persamaan Bernoulli (Pers. 3.72) antara titik (1) dan (2) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.39 memberikan
dimana b adalah faktor kontraksi, didefinisikan sebagai D1/D2. Berdasarkan hasil dari bagian-bagian sebelumnya dari bab ini, kita antisipasi bahwa ada kerugian kepala antara 1 dan 2 sehingga persamaan-persamaan yang mengatur menjadi
Dan
Situasi ideal memiliki hL = 0 dan menghasilkan Persamaan 8.37. Kesulitan dalam memasukkan kerugian kepala adalah tidak adanya ekspresi yang akurat untuk itu. Akibatnya, koefisien empiris digunakan dalam persamaan laju aliran untuk memperhitungkan efek dunia nyata yang kompleks yang disebabkan oleh viskositas yang tidak nol. Koefisien ini dibahas dalam bagian ini.
Sebuah meter orifis tipikal dibangun dengan menyisipkan antara dua flensa pipa sebuah pelat datar dengan lubang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.40. Tekanan di titik (2) di dalam vena contracta lebih rendah daripada di titik (1). Efek nonideal terjadi karena dua alasan. Pertama, luas vena contracta, A2, lebih kecil daripada luas lubang, Ao, oleh jumlah yang tidak diketahui. Dengan demikian, A2=CcAo , di mana Cc adalah koefisien kontraksi (Cc < 1). Kedua, aliran berputar dan gerakan turbulent di dekat pelat orifis memperkenalkan kerugian kepala yang tidak dapat dihitung secara teoritis. Oleh karena itu, koefisien pelepasan orifis, Co , digunakan untuk memperhitungkan efek-efek ini. Artinya, dalam bahasa matematika:
dimana Ao= πd2/4 adalah luas lubang dalam pelat orifis. Nilai dari Co adalah fungsi dari 𝛽= d/D dan nomor Reynolds, Re= ρVD/μ , di mana V= Q/A1 . Nilai tipikal dari Co diberikan dalam Gambar 8.41. Seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan 8.38 dan gambar di pinggirannya, untuk nilai tertentu dari Co,C tergantung pada konstruksi spesifik dari meter orifis (misalnya, penempatan lubang tekanan, apakah tepi pelat orifis persegi atau dikerucutkan, dll.). Kondisi yang sangat presisi yang mengatur konstruksi meter orifis standar telah ditetapkan untuk memberikan akurasi yang terbesar yang mungkin.
Jenis lain dari alat ukur aliran pipa yang didasarkan pada prinsip yang sama seperti yang digunakan dalam meter orifis adalah meter nozzle, tiga variasi dari meter ini ditunjukkan dalam Gambar 8.42. Perangkat ini menggunakan nozzle yang dibentuk (biasanya ditempatkan antara flensa dari bagian pipa) daripada pelat sederhana (dan kurang mahal) dengan lubang seperti pada meter orifis. Pola aliran yang dihasilkan untuk meter nozzle lebih dekat dengan ideal daripada aliran meter orifis. Ada hanya sedikit vena contracta dan turunannya
efek pemisahan aliran yang kurang parah, tetapi masih ada efek viskositas. Ini dihitung dengan menggunakan koefisien pelepasan nozzle, Cn, di mana
dengan A = πd^2 / 4. Seperti halnya pada meter orifice, nilai C adalah fungsi dari rasio diameter, 𝛽= d/D, dan nomor Reynolds, Re = ρVD / μ. Nilai tipikal yang diperoleh dari percobaan ditunjukkan dalam Gambar 8.43. Sekali lagi, nilai C yang tepat tergantung pada detail spesifik desain nozzle. Standar yang diterima telah diadopsi. Perhatikan bahwa Cn > Co; meter nozzle lebih efisien (lebih sedikit energi yang terbuang) daripada meter orifice.
Meter Venturi yang ditunjukkan dalam Gambar 8.44 [G. B. Venturi (1746–1822)] adalah yang paling presisi dan paling mahal dari ketiga flowmeter tipe hambatan ini. Meskipun prinsip kerjanya sama dengan meter orifice atau nozzle, geometri meter Venturi dirancang untuk mengurangi kerugian kepala ke minimum. Ini dicapai dengan menyediakan kontraksi yang relatif aerodinamis (yang menghilangkan pemisahan di depan tenggorokan) dan ekspansi yang sangat perlahan di hulu tenggorokan (yang menghilangkan pemisahan dalam bagian penurunan kecepatan aliran). Sebagian besar kerugian kepala yang terjadi dalam meter Venturi yang dirancang dengan baik disebabkan oleh kerugian gesekan di sepanjang dinding daripada kerugian yang terkait dengan aliran terpisah dan gerakan pencampuran yang tidak efisien yang menyertainya.
Jadi, laju aliran melalui meter Venturi diberikan oleh persamaan:
Di mana AT = πd^2 / 4 adalah luas tenggorokan pipa. Rentang nilai Cv, koefisien pembuangan Venturi, diberikan dalam Gambar 8.45. Perbandingan diameter tenggorokan-pipa (𝛽= d/D), nomor Reynolds, dan bentuk bagian konvergen dan divergen dari flowmeter adalah beberapa parameter yang mempengaruhi nilai Cv.
Sekali lagi, nilai-nilai tepat dari Cn, Co, dan Cv tergantung pada geometri spesifik dari perangkat yang digunakan. Informasi yang cukup tentang desain, penggunaan, dan pemasangan flowmeter standar dapat ditemukan dalam berbagai buku.
Banyak perangkat lain yang digunakan untuk mengukur laju aliran dalam pipa. Banyak dari perangkat ini menggunakan prinsip-prinsip selain konsep kecepatan tinggi/tekanan rendah dari flowmeter orifis, nozzle, dan Venturi.
Flowmeter yang cukup umum, akurat, dan relatif murah adalah rotameter, atau meter area variabel seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.46. Dalam perangkat ini, sebuah pelampung terdapat dalam tabung pengukur yang bertahap dan transparan yang terpasang secara vertikal pada pipa saluran. Saat fluida mengalir melalui flowmeter (memasuki di bagian bawah), pelampung akan naik dalam tabung yang bertahap dan mencapai ketinggian keseimbangan yang merupakan fungsi dari laju aliran. Ketinggian ini sesuai dengan kondisi keseimbangan di mana gaya bersih pada pelampung (daya apung, berat pelampung, gesekan fluida) adalah nol. Skala kalibrasi dalam tabung memberikan hubungan antara posisi pelampung dan laju aliran.
