Prinsip dan Cara Kerja Orifice Flow Meter

Orifice Flow Meter merupakan salah satu jenis flow meter yang dipakai untuk mengukur laju aliran fluida, baik berupa cairan maupun gas, termasuk juga uap. Prinsip utama yang digunakan adalah pengukuran tekanan diferensial, yakni perbandingan tekanan sebelum dan sesudah fluida melewati penyempitan.

Alat ini banyak digunakan pada aplikasi dengan kapasitas aliran yang besar karena terkenal memiliki daya tahan tinggi. Selain itu, sifatnya yang ekonomis membuatnya sering dipilih dalam berbagai kebutuhan industri.

Seperti namanya, bagian inti dari alat ini adalah lempengan orifice yang berperan sebagai elemen dasar. Ketika lempengan tersebut dipasang sejajar dengan aliran, fluida yang melewatinya akan menimbulkan perbedaan tekanan pada kedua sisi pelat.

Tekanan diferensial yang terbentuk kemudian menyebar di seluruh permukaan lempengan. Penurunan tekanan ini terjadi secara linier dan sebanding dengan laju aliran cairan atau gas yang melewati pipa.

Prinsip Kerja pada Orifice Flow Meter

Sebuah orifice meter terdiri dari pelat logam melingkar yang dipasang di antara flensa pada pipa. Pada pelat tersebut terdapat lubang bundar dengan tepi berbentuk persegi yang berdiameter sekitar 0,5 hingga 0,8 dari diameter pipa.

Titik pengukuran tekanan ditempatkan pada kedua sisi pelat dengan jarak tertentu sesuai standar. Saat fluida melewati lubang, aliran menjadi terbatas dan menimbulkan perbedaan tekanan antara sisi hulu dan hilir.

Perbedaan tekanan ini berbanding lurus dengan jumlah fluida yang mengalir melalui lubang tersebut. Dengan menggunakan rumus matematika yang akurat, laju aliran dapat dihitung dari selisih tekanan dan luas area aliran.

Pengaruh/Efek Pembatasan Aliran dalam Fluida

Ketika sebuah benda diletakkan di jalur aliran fluida dalam pipa, baik berupa cairan maupun gas, maka pergerakan fluida akan terhambat. Kondisi ini memaksa fluida untuk mencari jalur lain dengan mengalir mengelilingi benda tersebut.

Proses pengalihan jalur fluida membutuhkan tambahan energi agar tetap bisa bergerak. Energi itu bersumber dari tekanan fluida yang menurun saat melewati area penyempitan atau hambatan.

Semakin kecil ukuran lubang yang tersedia, semakin sedikit pula volume fluida yang bisa lewat. Hal ini akan menimbulkan tekanan balik yang lebih besar di dalam pipa, sehingga aliran menjadi semakin terhambat.

Prinsip ini bisa diibaratkan seperti keran air minum. Jika keran dibuka sangat kecil, air yang keluar hanya berupa tetesan karena adanya tekanan balik yang kuat. Ketika keran dibuka lebih lebar, lubang aliran semakin besar, sehingga air bisa mengalir lebih deras dan tekanan baliknya pun menurun.

Dengan mengetahui ukuran lubang dan selisih tekanan antara sisi sebelum dan sesudah hambatan, laju aliran fluida dapat dihitung dengan akurat. Orifice Flow Meter Plate memanfaatkan prinsip tekanan diferensial ini untuk menentukan besarnya aliran.

Biasanya, alat ini dilengkapi titik ukur tekanan di kedua sisi pelat dan garis aliran yang dapat digambarkan untuk memperlihatkan bagaimana fluida bergerak melewati lubang tersebut.

Tekanan Statis dan Tekanan Velocity

Tekanan fluida di dalam pipa akan berbeda ketika dalam kondisi diam dibanding saat sedang mengalir. Jika sebuah alat ukur dipasang pada pipa, nilainya akan lebih tinggi saat cairan tidak bergerak, sedangkan ketika cairan mengalir, tekanan statis turun dan tekanan velocity meningkat.

Perubahan ini terjadi karena sebagian energi tekanan berubah menjadi energi gerak. Dengan kata lain, semakin tinggi kecepatan fluida, maka tekanan statisnya akan semakin berkurang.

Sebagai contoh, udara di dalam ruangan yang tenang memiliki tekanan statis. Namun saat ada angin kencang di luar dan jendela terbuka, kita bisa merasakan dorongan langsung dari angin yang berhembus. Dorongan itu merupakan tekanan kecepatan atau velocity pressure.

Di sisi depan tubuh yang terkena angin, Anda akan merasakan gabungan antara tekanan statis dan tekanan kecepatan. Sedangkan di sisi belakang tubuh, hanya tersisa tekanan statis yang cenderung lebih rendah.

Fenomena yang sama juga berlaku di dalam pipa berisi cairan. Pada bagian dengan tekanan statis tinggi, kecepatan aliran relatif rendah. Sebaliknya, ketika kecepatan fluida meningkat, tekanan statis justru menurun.

Keseimbangan antara tekanan statis dan tekanan velocity inilah yang menjadi dasar pemahaman aliran fluida dalam sistem pipa, termasuk pada penggunaan orifice meter.

Metode Pengukuran Tekanan di Seluruh Orifice

Jika tujuan utama adalah mengukur tekanan statis di dalam pipa, maka lubang aliran tidak boleh terkena pengaruh dari komponen kecepatan fluida. Karena itu, pengukur tekanan biasanya dipasang pada lubang kecil yang dibor melalui dinding pipa dan posisinya rata dengan permukaan bagian dalam.

Pada titik tersebut, kecepatan aliran mendekati nol sehingga alat ukur hanya merekam nilai tekanan statis tanpa gangguan dari energi gerak fluida. Dengan cara ini, data yang diperoleh menjadi lebih akurat.

Dalam sistem Orifice Flow Meter, titik pengukuran tekanan statis ditempatkan di dua sisi pelat orifice. Titik hulu umumnya berada satu diameter pipa ke arah atas dari lubang aliran, sementara titik hilir diletakkan setengah diameter pipa ke arah bawah, tepat di area yang disebut vena contracta.

Di area vena contracta inilah garis aliran menyempit dengan kecepatan maksimum. Selisih tekanan dari kedua titik ukur ini kemudian dipakai dalam persamaan matematika untuk menghitung kecepatan fluida, yang selanjutnya dikonversi menjadi volume aliran berdasarkan luas penampang pipa.

Bagaimana Cara Alirannya Bekerja?

Ketika fluida mendekati pelat orifice, tekanannya akan sedikit meningkat. Namun begitu melewati lubang, tekanan langsung turun drastis sebelum mencapai titik vena contracta.

Setelah melewati titik tersebut, tekanan perlahan naik kembali dalam beberapa diameter pipa ke arah hilir, meski nilainya tetap lebih rendah dibanding tekanan awal di sisi hulu. Fenomena ini terjadi karena energi tekanan sebagian berubah menjadi energi kecepatan akibat penyempitan.

Penurunan tekanan ini merupakan konsekuensi langsung dari peningkatan kecepatan fluida saat melewati orifice. Ketika aliran keluar dari area sempit, kecepatannya berkurang dan tekanan cenderung pulih mendekati kondisi awal.

Meski demikian, tidak semua tekanan bisa kembali karena sebagian hilang akibat gesekan dinding pipa serta turbulensi aliran. Itulah mengapa selalu ada rugi-rugi energi dalam sistem ini.

Besarnya ΔP (pressure drop) di orifice akan semakin besar seiring meningkatnya laju aliran. Apabila aliran tidak ada, maka otomatis tidak muncul perbedaan tekanan.

Penting dicatat bahwa perbedaan tekanan ini sebanding dengan kuadrat dari kecepatan fluida. Dengan kata lain, jika faktor lain tetap konstan, maka semakin cepat alirannya, semakin besar pula diferensial tekanannya.

Komponen-Komponen Penting dari Flow Meter Orifice

1. Bagian Inlet

Bagian inlet adalah pipa lurus yang memiliki diameter sama dengan saluran masuk utama. Di bagian ini dilakukan pengukuran tekanan awal dari fluida, baik berupa cairan, gas, maupun uap.

2. Lempengan Orifice

Lempengan orifice diletakkan di antara bagian inlet dan outlet. Fungsi utamanya adalah menciptakan penyempitan aliran sehingga terjadi penurunan tekanan, yang kemudian dijadikan dasar perhitungan laju aliran.

3. Bagian Outlet

Bagian outlet berbentuk pipa lurus dengan diameter yang sama seperti inlet, hanya saja terletak pada sisi keluaran. Di titik inilah tekanan fluida setelah melewati orifice dapat diukur.

Seperti terlihat pada diagram, gasket ditempatkan di antara pelat orifice dan permukaan flange. Tujuannya adalah untuk menutup celah agar tidak terjadi kebocoran fluida.

Selain itu, pada bagian inlet dan outlet tersedia lubang sambungan untuk memasang sensor pengukur tekanan diferensial, seperti manometer tabung U atau indikator tekanan khusus. Dengan alat tambahan ini, data aliran bisa dipantau secara lebih akurat.

Ukuran dan Jenis-Jenis Orifice Plate

Jenis jenis orifice plate tersedia dalam berbagai variasi bentuk yang dirancang sesuai kebutuhan di lapangan. Perbedaan ukuran, desain, serta posisi lubang pada lempengan inilah yang menentukan spesifikasi dari alat ukur ini.

Secara umum, jenis lempengan Orifice dapat dibedakan menjadi empat, yaitu Orifice Konsentris, Orifice Eksentrik, Orifice Segmen, dan Orifice Tepi Kuadran. Masing-masing memiliki karakteristik serta fungsi yang berbeda sesuai media alir yang diukur.

1. Lempengan Orifice Konsentris

Jenis lempengan ini biasanya dibuat dari material stainless steel (SS) dengan ketebalan bervariasi, mulai dari 3,175 mm hingga 12,70 mm. Pada bagian tepi lubang, ada batas ketebalan tertentu yang tidak boleh dilewati, yaitu:

D/50, di mana D adalah diameter dalam pipa.
d/8, di mana d adalah diameter lubang orifice.
(D – d)/8.

Selain itu, terdapat istilah Beta Ratio (β) yang mengacu pada perbandingan antara diameter lubang orifice (d) dengan diameter dalam pipa (D). Rasio ini penting karena akan memengaruhi akurasi pengukuran aliran.

2. Lempengan Orifice Eksentrik

Bentuknya mirip dengan Orifice Konsentris, hanya saja lubang pada lempengan ini dibuat offset atau tidak tepat di tengah. Lubang tersebut dibuat secara tangensial terhadap lingkaran dalam pipa dengan ukuran sekitar 98% dari diameter pipa.

Jenis lempengan ini umumnya digunakan untuk mengukur aliran yang mengandung partikel padat, minyak bercampur air, atau bahkan uap basah. Dengan desain ini, partikel maupun campuran tidak mudah mengendap di area lubang.

3. Lempengan Orifice Segmen

Berbeda dari dua jenis sebelumnya, lubang pada Orifice Segmen berbentuk setengah lingkaran atau menyerupai segmen lingkaran. Ukuran lubangnya juga hampir sama, yakni sekitar 98% dari diameter dalam pipa.

Jenis lempengan ini banyak dipakai ketika media alir memiliki karakter tertentu yang membuat lubang penuh tidak selalu efektif dalam pengukuran.

4. Lempengan Orifice Tepi Kuadran

Jenis lempengan ini dirancang untuk mengukur aliran dengan viskositas tinggi, seperti minyak mentah, sirup, atau bahkan slurries. Dengan bentuk khusus pada tepi kuadrannya, alat ini bisa digunakan dalam kondisi aliran dengan Reynolds Number sangat tinggi, mencapai lebih dari 100.000, atau berada di kisaran 3.000 hingga 5.000.

Meski demikian, tingkat akurasi pengukurannya biasanya berada pada kisaran 0,5%. Itu sebabnya alat ini lebih cocok untuk kondisi industri tertentu dengan media alir kental.

Keunggulan Penggunaan Orifice Meter

Ada beberapa alasan mengapa orifice meter masih banyak dipakai hingga sekarang. Pertama, harganya jauh lebih murah dibandingkan dengan jenis flow meter lainnya.

Kedua, alat ini tidak membutuhkan banyak ruang untuk dipasang, sehingga sangat cocok digunakan di lokasi dengan area terbatas.

Selain itu, respon operasionalnya bisa dirancang sesuai kebutuhan, sehingga fleksibel untuk berbagai aplikasi. Ditambah lagi, orifice meter dapat dipasang pada posisi vertikal, horizontal, maupun miring sesuai kondisi sistem perpipaan.

Keterbatasan & Tantangan Orifice Meter

Keakuratan pengukuran pada flow meter Orifice sangat bergantung pada kondisi fisik dari plat orifice itu sendiri, terutama di bagian ujung-ujung tepi persegi serta ketajamannya. Jika terjadi keausan atau kerusakan, maka hasil pembacaan tekanan bisa menjadi tidak tepat dan menimbulkan kesalahan perhitungan aliran.

Selain itu, perlu dipastikan tidak ada penyumbatan parsial di sisi hulu orifice, karena hal tersebut dapat mengubah profil aliran serta memengaruhi gradien tekanan. Penyumbatan seperti ini sering muncul pada jalur pengukuran yang menghubungkan orifice dengan saluran cairan maupun perangkat pengukur tekanan.

Agar hasil pengukuran tetap akurat, posisi pemasangan pengukur sebaiknya berada di bagian pipa yang lurus, sehingga pola aliran tetap stabil dan tidak dipengaruhi oleh turbulensi. Dengan begitu, data yang diperoleh akan lebih konsisten dan dapat diandalkan.