Pengujian Orifice Flow Meter dengan Kapasitas Aliran Rendah
Ainul Ghurri, S.P.G. Gunawan Tista, Syamsudin Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali 80362 Telp.: +62 8123965206, Fax.: 361 703321 E-mail: a_ghurri@unud.ac.id

## Abstract
Orifice flow meter is used in many laboratory and industrial application due because of its simple design and low cost. The present research investigated an orifice flow meter operated in relatively low flow rate. Orifice plate is a metal plate, 10 mm width provided with bevel at inlet section. The diameter ratios (β) are 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, and 0.8, respectively. The experiment used water with flowrate range having Reynolds number between 6827,55 and 8004,72. The fluid is flown through the orifice plate. Pressure taps are used to measure pressure at upstream and downstream of the orifice plate.  The actual capacity is directly measured  at an outlet reservoir; while the theoretical capacity is calculated using modified Bernoulli equation with diameter ratio (β) within the equation. The results showed that the irrecoverable pressure drop decreased with the increase of flow capacity and the diameter ratio. The discharge coefficient of the orifice flowmeter ranged between 0.3 and 1.3.
Keywords: Orifice flow meter, diameter ratio, pressure drop.

## PENDAHULUAN
Orifice  plate  flow  meter merupakan  salah  satu flowmeter berbasis beda tekanan (pressure differential) yang  sangat  banyak  digunakan  karena desain  dan  cara  pengukurannya  yang  sederhana. Pengukuran  aliran  dibutuhkan  dalam  berbagai aplikasi  antara  lain  untuk  mengetahui  konsumsi  air rumah  tangga,  gedung  komersial  dan  industri  yang mengindikasikan  kapasitas  aliran  pada  stasiun pengisian  bahan  bakar,  mengindikasikan  kapasitas gas buang, dalam bidang kesehatan digunakan untuk memonitor  pernafasan  selama  pembiusan  dan mengukur kapasitas paru-paru. Kapasitas aliran dapat diukur  dengan  berbagai  macam  cara.  Salah  satunya adalah  pengukuran  aliran  berbasis  beda  tekanan, dimana  kapasitas  aliran  dihitung  berdasar  beda tekanan  antara  dua  titik  setelah  melintasi  sebuah penghalang  yang  dipasang  untuk  menimbulkan  beda tekanan  tersebut.  Penurunan  tekanan  tersebut  akan dipulihkan pada jarak tertentu pada arah hilir, namun tidak  bisa  dipulihkan  secara  keseluruhan.  Penurunan tekanan  yang  tidak  bisa  dipulihkan  tersebut  disebut irrecoverable pressure drop atau permanent pressure drop .  Beda  tekanan  melintasi  penghalang  tersebut harus cukup besar supaya bisa terukur dan sebaliknya harus  cukup  kecil  agar permanent  pressure  drop yang terjadi memenuhi allowable pressure drop pada sistem dimana flow meter dipasang.
Dalam  hal  ini  maka  ada  beberapa  permasalahan yang akan dikaji, yaitu:
1. Bagaimana  pengaruh  posisi  pengukuran  beda tekanan  terhadap  distribusi  tekanan  sepanjang aliran pada kapasitas aliran rendah.
2. Bagaimana  pengaruh  posisi  pengukuran  beda tekanan terhadap variasi nilai discharge coefficient pada kapasitas aliran rendah.
3. Bagaimana  pengaruh  posisi  pengukuran  beda tekanan  terhadap non  recoverable  pressure  drop yang terjadi pada kapasitas aliran rendah.
4. Bagaimana  karakteristik coefficient  of  discharge pada kapasitas aliran rendah.
Beberapa batasan ditetapkan dalam penelitian ini meliputi:
1. Tebal plat 10 mm
2. Rasio  diameter orifice dengan  diameter  pipa  (β) adalah 0.3; 0.4; 0.5; 0.6; 0.7; 0.8.
3. Bilangan Reynolds bervariasi berdasarkan kapasitas alirannya.
4. Fluida yang digunakan adalah air.

## DASAR TEORI
Pada peralatan pengukur aliran berbasis perbedaan  (penurunan)  tekanan,  aliran  dihitung dengan  mengukur pressure  drop yang  terjadi  pada aliran  yang  melewati  sebuah  penghalang  yang dipasang  dalam  aliran  tersebut.  Flowmeter  berbasis perbedaan  tekanan  ini  didasarkan  pada  persamaan Bernoulli  dimana  sinyal  yang  terukur  (yaitu penurunan  tekanan)  merupakan  fungsi  dari  kuadrat kecepatan  aliran.  Dengan  menggunakan orifice pla te, aliran fluida diukur melalui perbedaan tekanan antara  sisi  hulu  aliran  sampai  sisi  hilir  dimana  di bagian  tengah  antara  hulu  dan  hilir  terdapat penghalang  berbentuk orifice yang  mengakibatkan aliran  menjadi  lebih  sempit  sehingga  mengarahkan aliran untuk menyempit atau memusat.
Jika aliran mengalir horizontal (dengan
demikian  perbedaan  elevasi  tidak  ada  atau diabaikan)  dan  abaikan losses aliran  yang  terjadi; persamaan Bernoulli menjadi:
2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v P v P      (1) P = Tekanan (Pa)
ρ = Densitas (Kg/m 3 ) v = Kecepatan aliran (m/s) Untuk  aliran  vertikal  ketinggian  atau  elevasi  h 1 dan h 2 harus dimasukkan dalam persamaan (1) di atas.
Asumsikan profil kecepatan aliran seragam pada sisi  hulu  dan  hilir;  maka  persamaan  kontinyuitas berlaku sebagai berikut:
q = v 1 A 1 = v 2 A 2 (2)
q = Laju alir volume atau kapasitas (m 3 /s) A = Luas penampang aliran (m 2 ) Dengan mengkombinasikan (1) dan (2), A 2 < A 1 , menghasilkan persamaan „ideal‟:
  2 1 2 1 2 2 1 2 1 2                                  A A P P A q    s m 3
(3)
Untuk  geometri  tertentu  (A),  laju  aliran  dapat ditentukan dengan mengukur perbedaan tekanan P 1 – P 2 .  Laju  alir  teoritis  q  dalam  aplikasi  praktis  akan menjadi  lebih  kecil  antara  2%  -  40%  akibat  kondisi geometrinya. Persamaan ideal (3) dapat dimodifikasi dengan menambahkan discharge coefficient , menjadi:
  2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 .                                  A A P P A Cd q    s m 3 (4)
C d = Discharge coefficient
Discharge  coefficient C d merupakan  fungsi bukaan orifice .
Berdasarkan
persamaan Bernoulli dan kontinyuitas,  kecepatan  fluida  akan  mencapai  nilai tertinggi  dan  tekanannya  terendah  pada vena contracta .  Setelah  melewati  peralatan  pengukur  dan vena  contracta akan  terjadi  penurunan  kecepatan sampai  pada  level  sebelum  melewati  penghalang. Vena contracta adalah luasan minimum yang terjadi pada bagian terdepan hilir aliran setelah penghalangan  oleh orifice. Tekanan  akan  kembali naik  namun  lebih  rendah  dari  tekanan  sebelum melewati  penghalang.  Keadaan  ini  menambah  head loss yang terjadi dalam aliran.
Persamaan  (4)  dapat  dimodifikasi  terhadap
diameternya menjadi:
    2 1 4 2 1 2 1 2 4             P P d Cd q   s m 3
(5)
D = Diameter dalam orifice (m) d = Diameter pipa hulu dan hilir (m)  = Rasio diameter d / D π   = 3.14
Persamaan  (5)  dapat  dimodifikasi  ke  laju  alir massa fluida dengan mengalikannya dengan densitas fluida.
    2 1 4 2 1 2 1 2 4              P P d Cd m      
s Kg (6) Dalam pengukuran aliran gas, perlu diperhitungkan tidak hanya penurunan tekanan yang terjadi,  tapi  juga  perubahan  densitasnya.  Persamaan di  atas  dapat  digunakan  untuk  aplikasi  dimana perubahan  tekanan  dan  densitasnya  relatif  kecil. Adanya vena  contracta saat  melintasi orifice plate, maka persamaan Q orifice menjadi:
P d Q orifice       2 4 1 1 2 4       s Kg (7)
Orifice  meter terdiri  dari  plat orifice datar dengan  lubang  sirkular  (lingkaran).  Dua  lubang tekanan  dibuat  masing-masing  satu  pada  hulu  dan hilir aliran. Secara umum ada 3 metode penempatan lubang  tekanan  (tap). Coefficient  of  discharge pengukuran tergantung pada posisi tap.
Salah satu cara membandingkan keakuratan alat ukur  aliran  berbasis  pada  tekanan  adalah  dengan membadingkan  kapasitas  aliran  aktual  terhadap kapasitas  aliran  teoritisnya.  Rasio  antara  kapasitas aliran actual terhadap kapasitas aliran teoritis disebut coefficient of discharge (Cd):
l theoritica actual Q Q Cd   teoritis Kapasitas aktual Kapasitas (8)

## METODE PENELITIAN
Penelitian  dan  pengujian orifice  meter ini mempergunakan peralatan dan bahan sebagai berikut:
1. Meja
2. Tandon air (350 liter)
3. Keran Tandon
4. Bak air utama (24 liter)
5. Keran bak utama
6. Selang
7. Papan
8. Double tape
9. Penggaris
10. Kelem
11. Selang manometer
12. Orifis
13. Pipa orifis
14. Penyangga set up orifice
15. Bak penampung debit (7 liter) 16. Stop watch
Gambar  2  dan  3  berturut-turut  menunjukkan bagian  uji orifice  plate secara  skematik  dan  gambar aktualnya.  Sedangkan  Gambar  4  menunjukkan peralatan pengujian secara lengkap.
Gambar 2. Detail orifice plate
Gambar 3. Orifice plate flow meter
(a) Skematik
(b) Foto peralatan
Gambar 4.  (a) dan (b) Set Up eksperimental orifice
flowmeter Keterangan:
1. Tandon air 350 ltr
2. Keran tandon
3. Bak air utama (reserfoar 24 ltr)
4. Keran Bak air utama (reserfoar 24 ltr)
5. Selang ukur (manometer) 6. Papan ukur (papan manometer)
7. Set up orifice
8. Penampung debit.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Distribusi tekanan sepanjang orifice flow meter Dari hasil pengujian  maka didapatkan distribusi tekanan  sepanjang  aliran  dengan  rasio  diameter  (β) 0.3;  0.4;  0.5;  0.6;  0.7;  dan  0.8  seperti  pada  grafik- grafik di bawah ini.
Adapun  distribusi  tekanan  setiap  rasio  diameter (β)  pada  kapasitas  aktualnya  dapat  dilihat  pada grafik dibawah ini:
Gambar 5. Grafik distribusi tekanan untuk d = 5,4 mm
Gambar 6. Grafik distribusi tekanan, d = 14,4 mm
Dari  2  gambar  grafik  distribusi  tekanan  diatas  dapat disimpulkan  bahwa  semakin  besar  β  atau  diameter orifis  maka  semakin  kecil  terjadinya  penurunan tekanan.

## Kapasitas Teoritis
Berdasarkan kapasitas aktual pada bak penampung output dan diameter pipa (D = 18  mm), maka  dapat  dihitung  kecepatan  air  keluar  dari  pipa hilir  sehingga  dapat  dicari  bilangan  reynolds  untuk tiap  kapasitas  aktualnya,  Menurut  Streeter  (1975) viskositas kinematik air 20 c sebesar 1.007 . Untuk  aliran  laminar  dan  turbulen,  dapat  digunakan bilangan Reynolds ( R e ) sebagai acuan untuk
Pressure drop dapat dicari dengan rumus :
Dimana :
Dengan  menghitung  pressure  drop  maka kapasitas aliran secara teoritis dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
√ √ Atau
√ √
Adapun  nilai  dari  kapasitas  teoritis  yang  sudah dihitung  dapat  diplotkan  pada  grafik  hubungan antara  kapasitas  terhadap  bilangan  Reynolds  seperti yang terlihat dibawah ini :
Gambar 7. Grafik
terhadap Re untuk
d = 5,4 mm
Gambar 8. Grafik terhadap Re untuk
d = 10,8 mm
Dari  kedua  rumus  diatas  dapat  disimpulkan  bahwa semakin  besar  nilai  ∆P  yang  didapat  maka  semakin besar  nilai  dari  kapasitas  teoritisnya.  Semakin besarnya  nilai  dari  kapasitas  teoritis  maka  semakin besar niali bilangan Reynolds-nya.

## Coefficient of discharge
Dari    nilai  Q th yang  menggunakan  letak pengukuran  beda  tekanan  antara pressure  tap pada hulu  dan  pada  plat orifice maka  nilai  Cd  dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
) / ( ) / ( menit liter Q menit liter Q C th act d 
Adapun  nilai  Cd  yang  dapat  diplotkan  pada grafik seperti yang terlihat dibwah ini:
0.000090 0.000100 0.000110 0.000120 0.000130 6700 7200 7700 Q ( m 3 /s ) Bilangan Reynolds (Re)
Qakt Qth-1 Qth-2 Qth-3 Qth-4
Qth-5 Qth-6 0.000000 0.000050 0.000100 0.000150 0.000200 6700 7200 7700 Q (m 3 /s ) Bilangan Reynolds (Re)
Qakt Qth-1
Qth-2 Qth-3 Qth-4 Qth-5
Gambar 9. Grafik terhadap Re untuk d = 5,4 mm
Gambar 10. Grafik terhadap Re untuk d = 10,8 mm
Ada  2  hal  yang  dapat  disimpulkan  dari  kedua grafik  diatas  yaitu  semakin  besar  diameter  orifis maka  semakin  besar  nilai  Cd  dan  hanya  pada  Cd 1 dan Cd 2 yang sesuai dengan semakin besar bilangan Reynolds maka nilai Cd semakin turun atau kecil.
Nilai  Cd (coefficient  discharge) untuk orifice flow meter nilainya berkisar  0,3535 - 1,3374 dimana nilai  Cd  terendah  ada  pada  d  =  14,4  mm  di  posisi pressure tap h down-1 , sedangkan nilai Cd tertinggi pada posisi pressure tap h down-5 . Berdasarkan nilai Cd letak pressure  tap yang  baik  berada  pada  h down-2 dengan nilai  Cd  =  1,0073  pada  d  =  14,4  mm  (Q aktual =  6,3 ltr/mnt).
Pressure Drop dan Irrecoverable Pressure Drop
Presentase  dari Irrecoverable  pressure  drop dapat dicari dengan menggunakan rumus :
Dengan
mendapatkan nilai prosentase Irrecoverable pressure drop sehingga dapat diplotkan pada grafik Gambar 11 dan 12.
Dari  dua  grafik  tersebut  ada  beberapa  yang dapat  disimpulkan  yaitu  semakin  besar  diameter orifis  maka  semakin  kecil  nilai  dari pressure  drop max , dan juga irrecoverable pressure drop -nya.
Gambar 11. Grafik hubungan antara pressure drop terhadap Re untuk d = 5,4 mm
Gambar 12. Grafik hubungan antara pressure drop terhadap Re untuk d = 14,4 mm

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  pembahasan  dari  penelitian mengenai orifice  flow  meter dengan  (β)  =  0.3;  0.4; 0.5; 0.6; 0.7; dan 0.8 dapat disimpulkan beberapa hal antara lain:
1. Perhitungan kapasitas teoritis yang
menggunakan  beda  tekanan  (∆P)  pada  posisi
(h down-1 – h up-1 ) titik pada plat orifice
0.88 0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 6700 7200 7700 C oef fi c ie nt of di s c har ge (C d) Bilangan Reynolds (Re)
Cd1 Cd2 Cd3
Cd4 Cd5 Cd6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 6700 7200 7700 C oef fi c ie nt of di s c har ge (C d) Bilangan Reynolds (Re) Cd1 Cd2 Cd3 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 6700 7200 7700 P re s s ure drop (m m k ol om a ir) Bilangan Reynolds (Re) Pressure Drop max Pressure Drop Irrecoverable 0 50 100 150 200 250 300 350 6700 7200 7700 P re s s ure drop (m m k ol om a ir) Bilangan Reynolds (Re) Pressure Drop Max Pressure Drop Irrecoverable
menghasilkan  kapasitas  teoritis  yang  paling mendekati kapasitas aktual yang terukur.
2. Nilai  Cd (coefficient  discharge) untuk orifice flow  meter nilainya  berkisar    0,3535  -  1,3374 dimana nilai Cd terendah ada pada d = 14,4 mm di posisi pressure tap h down-1 , sedangkan nilai Cd tertinggi pada posisi pressure tap h down-5 . 3. Berdasarkan  nilai  Cd  letak pressure  tap yang baik  berada  pada  h down-2 dengan  nilai  Cd  =
1,0073 pada d = 14,4 mm (Q aktual = 6,3 ltr/mnt).
4. Semakin  besar  diameter  orifis  maka  semakin kecil terjadinya pressure drop dan irrecoverable pressure drop -nya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  merupakan  bagian  dari  Penelitian Hibah Bersaing 2015. Penulis menyampaikan ucapan terima  kasih  kepada  Kementerian  Ristek  Dikti  dan LPPM atas pembiayaan pelaksanaan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Gunarsa. Gede, 2006 “Pengujian Nozzle  Flow Meter dengan Variasi Rasio Diameter Nozzle”.
[2] Krassow.  H.,  Campabadal.  F.,  Lora-Tamayo. E.,  1998  “ The  Smart  Orifice  Meter;  a  Mini Head  Meter  for  Volume  Flow  Measurement ”.
1998, 110.
[3] Munson,  Bruce.  R.,  Young,  Donald.  F., Okiishi,  Theodore. H., 2002 “ Fundamental  of Fluid  Mechanic ”,  4 th Edition,  John  Wiley  & Sons, USA.
[4] R.  W.  Miller,  1989  “ Flow  Measurement Engineering  Handbook,  second  ed.,  McGraw
Hill Publishing Company , New York, pp- 7-1- 7-8.
[5] Septiadi.  Nata,  2006  “Studi  Eksperimen Orifice Flow Meter dengan Variasi Tebal Plat Orifis  dan  Posisi  Pengukuran  Beda  Tekanan
Aliran Melintasi Plat Orifis”.
[6] W.  Fox,  Robert.,  T.  McDonald.,  Alan,  1994 “ Introduction  to  Fluid  Mechanic ”. 1994, 360- 363.