Prinsip Kerja dan Kalibrasi Ultrasonik Flowmeter

Ultrasonic flowmeter merupakan flowmeter jenis kecepatan yang menggunakan pulsa ultrasonik untuk mengukur aliran fluida. Alat ini memiliki karakteristik operasi tanpa kontak, rentang pengukuran yang luas, portabilitas serta pemasangan yang mudah, adaptabilitas yang baik terhadap diameter pipa, penggunaan yang sederhana, serta kemudahan dalam digitalisasi. Ultrasonic flowmeter banyak digunakan untuk pengukuran kecepatan dan aliran gas serta cairan di lapangan. Artikel ini membahas prinsip desain ultrasonic flowmeter yang paling umum digunakan, menganalisis serta mengevaluasi ketidakpastian pengukuran dari kesalahan pengukurannya, serta membahas metode untuk meningkatkan akurasi pengukuran di lapangan.

I. Prinsip Pengukuran Ultrasonic Flowmeters

Prinsip kerja flowmeter ultrasonik ditunjukkan pada Gambar 1. Dua probe ultrasonik terpasang: transduser A pada arah aliran mengirimkan sinyal pulsa ultrasonik, dan transduser B pada arah hulu menerimanya. Transduser dipasang menggunakan metode klamp luar Z, satu pada masing-masing sisi pipa fluida dengan jarak tertentu. Diameter dalam pipa adalah d, kecepatan ultrasonik pada arah aliran adalah V, dan sudut θ antara arah penyebaran ultrasonik dengan arah aliran fluida adalah θ.

2. Analisis ketidakpastian pengukuran

Laju aliran fluida menurut rumus (3) terdiri dari empat bagian: diameter dalam pipa d, kecepatan suara teoritis C di dalam fluida yang diukur, tangen dari sudut refraksi gelombang suara tanθ, dan perbedaan waktu Δt antara aliran maju dan mundur fluida yang melewati transduser AB. Analisis ketidakpastian pengukurannya adalah sebagai berikut.

1. Evaluasi ketidakpastian yang diperkenalkan oleh pengulangan pengukuran diameter dalam pipa d

Menurut standar **, diameter nominal pipa D dan ketebalan pipa s hanya merupakan dimensi nominal perkiraan. Diameter luar pipa D dan ketebalan pipa s harus diukur setiap kali. Oleh karena itu, ketidakpastian ini memiliki dua komponen, yaitu pengulangan pengukuran objek yang diukur dan ketidakpastian pengukuran instrumen ukur yang digunakan di lapangan. Berdasarkan pengalaman pengukuran aktual kami di lapangan, ketidakpastian pengukuran diameter dalam pipa d umumnya adalah Urel(d) = 0,5% (k = 2); oleh sebab itu, ketidakpastian baku yang diperkenalkan oleh pengukuran diameter dalam pipa d adalah:

urel(d) = urel(d) / k = 0,5% / 2 = 0,25%

2. Evaluasi ketidakpastian yang diperkenalkan oleh pengukuran kecepatan suara fluida C, urel(C)

Berdasarkan data teknis, ketidakpastian ini dievaluasi sebagai Kelas B. Ketidakpastian pengukuran kecepatan suara dalam fluida yang diukur adalah:

Urel(C) = 0,6% (k = 2). Hal ini dapat dikutip secara langsung:

urel (C) = Urel (C) / k = 0,6% / 2 = 0,3%

3. Ketidakpastian yang diperkenalkan oleh pengulangan pengukuran jarak l antara transduser A dan B

Evaluasi ketidakpastian urel (l). Ketidakpastian pengukuran jarak l antara transduser A hilir dan transduser B hulu memiliki dua komponen: pengulangan pengukuran objek yang diukur dan ketidakpastian pengukuran instrumen ukur yang digunakan di lapangan. Berdasarkan pengalaman pengukuran lapangan kami yang sebenarnya, ketidakpastian baku yang diperkenalkan oleh pengulangan pengukuran jarak l antara transduser A dan B adalah ketidakpastian umumnya

Urel(l) = 0,6% (k = 2):

Urel(l) = s/k = 0,5%/2 = 0,25%

4. Pengenalan terhadap Perbedaan Waktu Δt antara Aliran Maju dan Aliran Berlawanan Arah Melalui Transduser AB

Evaluasi Ketidakpastian u(Δt) Perbedaan waktu Δt antara aliran maju dan aliran berlawanan arah melalui transduser AB pada sebuah meter aliran ultrasonik diukur dengan cara mengurangkan waktu t1 dari pulsa yang dikirimkan dari transduser A ke B pada arah aliran maju dan t2 dari pulsa yang dikirimkan dari B ke A pada arah aliran berlawanan (lihat Gambar 1). Menurut rumus (1), komponen ketidakpastiannya terutama ditentukan oleh jarak l antara transduser hilir A dan transduser hulu B, diameter dalam pipa d, serta kecepatan suara C pada fluida yang diukur. Akurasi pengukuran waktu dan frekuensi merupakan yang tertinggi di antara semua disiplin pengukuran. Kesalahan yang disebabkan oleh pengukuran penyetelan pulsa pada meter aliran ultrasonik dapat diabaikan. Jarak l, diameter dalam pipa d, dan kecepatan suara C pada fluida yang diukur termasuk ke dalam komponen ketidakpastian lainnya. Oleh karena itu, ketidakpastian u(Δt) yang diperkenalkan oleh perbedaan waktu Δt antara fluida hulu dan hilir yang melewati transduser AB dapat diabaikan.

III. Metode untuk Meningkatkan Ketelitian Pengukuran Lapangan pada Ultrasonic Flowmeter

Dalam pengukuran di lapangan, langkah pertama adalah melakukan analisis menyeluruh terhadap berbagai faktor. Faktor-faktor ini semuanya memiliki pengaruh tertentu terhadap hasil pengukuran akhir, seperti ditunjukkan di bawah ini.

1. Dampak Ketidakpastian pada Kecepatan Suara C dan Metode Empiris untuk Meningkatkan Ketelitian Pengukuran Lapangan

Sebelum pengukuran di lapangan dimulai, medium pengukuran harus disediakan. Jika medium tersebut adalah gas, komposisi gas spesifik, suhu operasional, dan tekanan operasional harus disediakan. Kecepatan suara ultrasonik dapat diperoleh dengan mengacu pada standar yang relevan menggunakan informasi di atas. Pengaruh kecepatan suara C pada ultrasonic flowmeter dari medium kerja akan memiliki dampak yang lebih kecil terhadap hasil pengukuran. Jika mediumnya berupa cairan, nama cairan spesifik, tekanan operasional, suhu operasional, tekanan operasional, serta keberadaan partikel tersuspensi dalam cairan tersebut harus disediakan. Pengaturan kecepatan suara perlu mempertimbangkan pengaruh suhu. Kecepatan suara dalam larutan berbasis air lebih tinggi dibandingkan air, dan untuk sebagian besar fluida, semakin tinggi suhu, semakin cepat kecepatan suara. Ketika terdapat banyak partikel dalam fluida (namun masih dalam rentang pengukuran), terdapat dua pendekatan: ① Partikel yang terdistribusi secara merata. Dalam kasus ini, sinyal relatif stabil, sehingga sulit terdeteksi melalui pengukuran. Medium pengukuran harus menyebutkan penyebab dan jenis partikel tersebut. Setelah jenis partikel diketahui, kecepatan suara fluida dapat disesuaikan secara tepat, dan kualitas sinyal dapat dibandingkan untuk memperoleh hasil pengukuran yang lebih akurat. ② Dalam kasus partikel yang tidak merata, intensitas sinyal akan mengalami fluktuasi yang signifikan. Dalam hal ini, pendekatan terbaik adalah melakukan pengukuran dalam jangka waktu lama dan mengambil rata-rata dari pembacaan di beberapa titik dengan kualitas sinyal yang baik.

2. Jarak l antara transduser A dan B serta diameter dalam pipa d

Dampak pengulangan pengukuran dan metode untuk meningkatkan akurasi pengukuran di lapangan: Saat memilih pipa pengukuran, pilih bagian yang lurus dan stabil dari medium kerja, jauh dari stasiun pompa dan katup. Jika medium di dalam pipa berupa cairan, pilih juga bagian pipa yang cenderung tidak menyebabkan pengendapan di bagian bawah dan penumpukan udara di bagian atas. Lakukan pengukuran awal dengan probe terpasang secara vertikal, kemudian horizontal. Jika perbedaan antara dua pengukuran tersebut berada dalam batas kesalahan maksimum yang diizinkan oleh flowmeter ultrasonik, dengan parameter lain tidak berubah, lanjutkan ke pengukuran berikutnya setelah pengaturan parameter tambahan. Jika perbedaan kedua pengukuran melebihi batas kesalahan yang diizinkan flowmeter ultrasonik, lakukan pemilihan ulang bagian pipa untuk pengukuran (jika perbedaan melebihi kesalahan yang diizinkan, hal ini menunjukkan bahwa bagian pipa tersebut tidak sepenuhnya terisi oleh medium kerja).

Saat menyetel parameter detail untuk pengukuran berikutnya, faktor utama yang mempengaruhi ketepatan pengukuran adalah jarak l antara transduser A dan B serta diameter dalam pipa d. Jarak l umumnya diukur dengan mistar baja atau jangka sorong berdasarkan jarak l. Untuk mengukur diameter dalam pipa d, jangka sorong dapat digunakan secara langsung bila diameter luar pipa kecil. Untuk pipa yang lebih besar, sebaiknya gunakan mistar baja presisi untuk mengukur kelilingnya kemudian menghitung diameternya. Saat mengukur pipa dengan endapan dan kotoran dalam yang parah, parameter dinding pipa s dapat ditingkatkan dan kecepatan suara pada dinding pipa dapat dikurangi. Saat mengukur pipa dengan korosi dalam yang parah, parameter dinding pipa s dapat dikurangi, tetapi kecepatan suara pada dinding pipa tetap tidak berubah.

Berdasarkan prinsip flowmeter ultrasonik tipe transit-time, makalah ini menganalisis dan mengevaluasi ketidakpastian pengukuran dari kesalahan flowmeter ultrasonik. Berdasarkan pengalaman bertahun-tahun lembaga kami dalam pengujian lapangan flowmeter ultrasonik, kami mengusulkan dan menjelaskan beberapa poin penting untuk meningkatkan akurasi pengukuran lapangan flowmeter ultrasonik.