Pengantar

Tekanan adalah gaya yang diterapkan pada area tertentu. Tekanan dapat diberikan oleh semua bentuk materi; padat, cair, bahkan gas. Pengukuran tekanan fluida sangat berguna dalam hal pemantauan dan kontrol proses dalam sistem otomasi industri. Artikel ini bertujuan untuk membahas pemancar tekanan diferensial. Mereka adalah salah satu sensor tekanan yang paling banyak digunakan untuk mendapatkan informasi tekanan seperti laju aliran sistem berbasis fluida.

Apa itu Pemancar Tekanan Diferensial?

Dalam hal pemantauan tekanan dalam cairan, ada tiga teknik pengukuran:

• Pengukur tekanan

Tekanan pengukur adalah perbedaan tekanan antara cairan yang diukur dan tekanan atmosfer.

• Tekanan mutlak

Gabungan tekanan atmosfer dan fluida dikenal sebagai tekanan absolut.

• Tekanan diferensial

Tekanan diferensial adalah perbedaan tekanan pada dua titik berbeda dalam fluida/gas yang sama.

Sementara semua teknik ini mungkin terdengar berbeda satu sama lain, ketiganya terkait satu sama lain.

Pemancar tekanan diferensial (juga dikenal sebagai pemancar DP) adalah jenis khusus dari sensor tekanan. Itu dapat mengukur dua tekanan yang berbeda dan mengurangi satu dari yang lain; maka nama diferensial. Sensor tekanan diferensial biasanya digunakan dalam media transmisi fluida untuk menentukan laju aliran.

Istilah pemancar tekanan dan transduser tekanan sering jalan bareng. Namun, dari segi fungsionalitas, mereka berbeda satu sama lain. Transduser tekanan lebih sederhana daripada pemancar tekanan, dan mengandung sirkuit elektronik yang sangat minim. Kedua jenis sensor memiliki piezo-resistif atau film tipis yang dipasang pada koneksi proses. 

Transduser tekanan secara langsung mengeluarkan sinyal analog dari elemen piezo. Sinyal biasanya dalam kisaran milivolt. Mereka membutuhkan sirkuit pemrosesan eksternal untuk mengkondisikan sinyal mentah ini untuk kemudian diumpankan ke pengontrol seperti PLC.

Transduser tekanan, bagaimanapun, memiliki sirkuit pemrosesan tambahan built-in. Ini termasuk linierisasi, amplifikasi dan pengkondisian lebih lanjut dari sinyal yang akan ditransmisikan ke penerima jarak jauh. Mereka terdiri dari sirkuit transduser dan pemancar terintegrasi untuk membentuk satu unit yang mampu menghasilkan sinyal yang dapat langsung diumpankan ke PLC.

Prinsip Kerja Pemancar Tekanan Diferensial

Seperti disebutkan di atas, pemancar tekanan diferensial memiliki beberapa bagian yang memperoleh, mengkondisikan, dan mengirimkan sinyal tekanan. Dalam konstruksi mekanik, ada tiga bagian utama:

1. Elemen Utama
2. Elemen Sekunder
3. Elektronik

Elemen utama adalah konstruksi mekanis khusus yang memperkenalkan perbedaan tekanan ke dalam aliran fluida. Ini bisa berupa tabung venturi, pelat lubang, tabung pitot, nosel aliran, atau elemen aliran laminar.

Elemen utama menciptakan perbedaan tekanan dalam aliran fluida dengan menambahkan penghalang buatan menggunakan salah satu penghalang mekanis yang disebutkan di atas. Elemen sekunder mengambil tekanan di dua titik, sebelum dan sesudah penghalang.

Elemen primer sering dikenal sebagai 'sisi tinggi' dan elemen sekunder sebagai 'sisi rendah'. Hal ini tidak boleh disalahpahami karena sisi tinggi memiliki tekanan yang lebih tinggi dan sisi rendah memiliki tekanan yang lebih rendah.

Bagian primer memiliki sambungan ke elemen sekunder melalui beberapa bentuk kopling fluida isolasi atau kopling mekanis. Cairan ini sering didasarkan pada silikon karena silikon adalah isolator termal yang baik dan stabil secara kimiawi. Ada beberapa jenis sensor yang tersedia di pemancar tekanan diferensial sebagai elemen sekundernya:

1. Transduser tekanan kapasitansi diferensial
2. Transduser tekanan kawat bergetar
3. Transduser tekanan pengukur regangan

Elemen sekunder mengubah perbedaan tekanan yang dirasakan menjadi sinyal tegangan kecil. Elektronik mengambil sinyal tegangan ini dan mengkondisikannya lebih lanjut. Ini termasuk penyaringan, normalisasi, amplifikasi, pengambilan sampel dan konversi ke sinyal arus/tegangan.

Bagian elektronik kemudian mengeluarkan output linier yang terkait dengan rentang tekanan yang diukur. Misalnya, jika sensor mampu mengukur tekanan diferensial 0-100psi dan merupakan jenis keluaran saat ini, maka akan menghasilkan 4mA pada 0psi dan akan mengeluarkan 20mA pada 100psi. Setiap tekanan di antaranya akan memiliki nilai arus yang sesuai dengannya. (yaitu 8mA untuk 50psi)

Elemen Pemancar Tekanan Diferensial

Seperti disebutkan di atas, transduser tekanan diferensial memiliki 3 elemen utama; elemen perakitan primer, sekunder dan elektronik.

Mari kita lihat elemen utama umum dan konstruksinya secara singkat.

Elemen Utama

• Pelat Lubang

Pelat orifice adalah salah satu bentuk paling sederhana dari elemen primer. Mereka memperkenalkan penurunan tekanan dalam aliran dengan memperkenalkan pembatasan. Lubang selalu memiliki diameter lebih kecil dari pipa yang terhubung.

Transduser tekanan pelat lubang memiliki dua koneksi outlet tekanan untuk menghubungkan perangkat ke perangkat pemantauan tekanan eksternal. Dalam pemancar tekanan diferensial, ini terhubung ke elemen sekunder perangkat.

• Tabung Venturi

Pada beberapa pemancar tekanan, elemen utamanya adalah tabung venturi. Ini adalah pengaturan khusus yang juga membatasi aliran dan menciptakan perbedaan tekanan. Berbeda dengan tempat lubang, tabung venturi memiliki bentuk yang lebih bertahap dan tekanan diukur di dua tempat yang berbeda.

Tabung venturi memiliki saluran masuk, bagian konvergen, tenggorokan (lebih kecil dari diameter pipa biasa) dan bagian divergen yang meningkatkan diameter kembali ke diameter pipa asli. Pengukuran tekanan diambil dari bagian inlet dan bagian tenggorokan, yang memiliki dua diameter.

Prinsip yang digunakan untuk mengukur tekanan berhubungan dengan persamaan kontinuitas dan persamaan Bernoulli ditemukan dalam teori mekanika fluida. Elemen utama tipe venturing kebanyakan ditemukan di flowmeters untuk menentukan debit.

• Tabung Pitot

Tabung pitot digunakan terutama untuk mengukur laju aliran. Mereka terdiri dari pipa bengkok yang memiliki dua bukaan

Salah satu ujung tabung terbuka ke titik statis dalam fluida di mana ada tekanan rendah, dan ujung lainnya langsung sejajar dengan aliran seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Saat laju aliran meningkat, cairan yang terjebak di bagian tikungan tabung dipindahkan untuk membuat manometer cair, yang menunjukkan laju aliran.

Namun, pemasangan tabung pitot dua port semacam itu bisa menjadi rumit. Dan memiliki batasan sebagai berikut:

• Jika kecepatannya terlalu rendah, perbedaan tekanan akan sulit diukur.
• Jika kecepatannya terlalu tinggi (yaitu supersonik/lebih cepat dari kecepatan suara), ini juga meniadakan persyaratan utama persamaan Bernoulli, membuatnya tidak valid.
• Jika tabung menjadi tersumbat, tekanan yang dihasilkan menyimpang dari nilai tekanan sebenarnya.

Oleh karena itu, ada tabung pitot titik tunggal khusus bernama 'tabung pitot tipe rata-rata' yang memiliki sejumlah tabung penginderaan hulu, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Pengaturan ini mengatasi masalah yang disebutkan dalam tabung pitot-statis.

• Nozzle Aliran

Nozel aliran adalah jenis elemen utama lain yang ditemukan dalam transduser tekanan diferensial. Mereka mirip dengan tabung orifice, tetapi memiliki beberapa keunggulan dibandingkan mereka.

Ada beberapa jenis nozel serigala: nozel aliran bergelang, nozel aliran bergelang dengan keran tekanan rendah terintegrasi dan nozel aliran las.

Nozel aliran jenis wel-din khusus sangat berguna dalam aplikasi tekanan tinggi dan perpipaan berdiameter kecil di mana flensa tidak dapat digunakan. Gambar di bawah menunjukkan nozzle aliran las, yang ditempatkan di antara pipa dan dilas secara permanen di tempatnya.

Berikut adalah beberapa keunggulan flow nozzle dibandingkan dengan elemen pelat orifice:

• Nozel aliran tidak mengandung tepi tajam sebagai pelat orifice. Hal ini membuat nozel aliran kurang rentan terhadap keausan seiring waktu.
• Nozel aliran lebih disukai dalam mengukur cairan berkecepatan tinggi.

Banyak digunakan dalam aplikasi tekanan tinggi dan suhu tinggi seperti aliran uap berkecepatan tinggi di turbin.

• Elemen Aliran Laminar

Elemen primer lain yang menarik adalah elemen aliran laminar. Ini terdiri dari beberapa tabung yang lebih panjang dari diameter pipa utama untuk memperlambat aliran dan membuatnya laminar.

Tabung laminar ini memperkenalkan penurunan tekanan permanen yang tidak dapat dipulihkan ke hilir karena gesekan yang disebabkan oleh tabung. Penurunan tekanan diukur dengan menggunakan Persamaan Hagen-Poiseuille.

Elemen aliran laminar digunakan untuk mendapatkan hubungan linier antara laju aliran dan penurunan tekanan, yang menghilangkan kebutuhan akan karakterisasi akar kuadrat untuk linierisasi pembacaan.

Namun, perangkat berbasis elemen laminar memerlukan kompensasi suhu karena suhu mempengaruhi viskositas cairan, sehingga pembacaan akhir.

Elemen Sekunder

Elemen sekunder dari pemancar tekanan diferensial terdiri dari perangkat yang mengubah atribut fisik (tekanan) menjadi sinyal listrik. Ini dilakukan dengan menggunakan 'transduser' yang dapat mengambil salah satu bentuk berikut:

• Transduser tekanan pengukur regangan

Transduser jenis pengukur regangan digunakan untuk tekanan rentang sempit dan pengukuran tekanan diferensial. Mereka memiliki pengukur regangan, resistor yang mengubah resistansi sesuai dengan regangan yang diterapkan padanya. Pengukur regangan dipasang pada diafragma untuk memungkinkan tekanan diubah menjadi regangan.

Mereka dapat digunakan di semua jenis pemancar tekanan sebagai elemen transduser untuk mengukur tekanan gauge, absolut dan diferensial.

• Transduser tekanan kapasitansi

Transduser jenis kapasitansi menggunakan diafragma yang bergerak sesuai dengan tekanan yang diberikan untuk menentukan perbedaan tekanan. Diafragma terhubung ke elemen utama menggunakan cairan pengisi seperti silikon cair.

Ini melibatkan sirkuit kompleks yang berosilasi. Frekuensi osilasi dipengaruhi oleh perubahan kapasitansi, yang pada akhirnya diterjemahkan menjadi sinyal DC sebagai output dari sensor.

• Transduser tekanan kawat resonansi

Transduser tekanan kawat resonansi terdiri dari kawat resonansi sesuai dengan rangkaian osilator terintegrasi. Setiap perubahan tekanan menyebabkan tegangan kawat berubah. Perubahan tegangan mengubah frekuensi osilasi. Karena ini dapat diukur dengan sangat akurat, transduser kawat resonansi biasanya ditemukan dalam aplikasi diferensial tekanan rendah.

Transduser tekanan kawat resonansi sangat stabil di bawah kondisi suhu yang stabil, tetapi tidak linier. Oleh karena itu, ini memerlukan bantuan dari mikroprosesor untuk mengkompensasi non-linearitas.

Elektronik

Elektronik pemancar tekanan selanjutnya memperkuat, mengkondisikan dan mengubah sinyal mentah untuk ditransmisikan ke PLC atau pengontrol lain. Keluarannya bisa,

1. tegangan output

Output 0-10V atau 0-5V tergantung pada konfigurasi.

2. Output saat ini

Output arus 4-20mA untuk dimasukkan ke dalam kartu input PLC.

3. Hasil digital

Output ambang batas atau aliran data komunikasi digital seperti output kompatibel RS232 atau RS485 yang memberikan pembacaan tekanan sampel digital yang sangat akurat.

Konstruksi Pemancar Tekanan Diferensial

Pemancar tekanan diferensial terdiri dari tiga bagian utama, elemen primer, elemen sekunder dan rumah elektronik.

Elemen utama dipasang langsung ke dalam tabung dan bertindak sebagai elemen pengamat tekanan. Ini memperkenalkan perbedaan tekanan ke dalam aliran fluida, dan memberikan dua keluaran dari dua titik dengan tekanan fluida yang berbeda yang diketahui.

Elemen sekunder biasanya dipasang tepat di atas elemen primer, di luar pipa. Ini mengubah tekanan fisik menjadi sinyal listrik kecil.

Elemen terakhir adalah elektronik, yang memiliki pengkondisi sinyal dan sirkuit pemancar terpasang. Tahap ini membaca pengukuran dari elemen sekunder, menguatkan, menyaring, dan kondisi lebih lanjut untuk mengirimkan pembacaan ke PLC atau penerima lain yang sesuai.

Di mana Pengukuran Tekanan Diferensial (DP) digunakan?

Aplikasi yang paling umum untuk tekanan diferensial adalah pengukuran laju aliran diferensial. Jenis aplikasi ini dapat ditemukan di lingkungan domestik dan industri seperti pengukuran laju aliran cairan dalam sistem pengeluaran minyak/air.

Aplikasi lain untuk DP termasuk pemantauan filter, pengukuran level cairan dan dalam beberapa kasus, pemantauan torsi kepala bor. Dalam pemantauan filter, DP digunakan untuk terus memantau filter untuk penyumbatan. Jika filter tersumbat, tekanan diferensial meningkat, dan pembacaan kemudian digunakan untuk mengidentifikasi masalah.

Dalam beberapa aplikasi, tekanan gas, pemantauan tekanan pompa cairan dan deteksi kebocoran pipa air juga dilakukan dengan mengukur tekanan diferensial.

Untuk Apa Pemancar Tekanan Diferensial Digunakan?

Pemancar tekanan diferensial mampu mengeluarkan pengukuran tekanan diferensial, sesuai dengan kalibrasi yang baik. Outputnya dapat berupa tegangan, arus, atau output digital yang kompatibel dengan peralatan standar industri.

Pemancar tekanan eksternal digunakan untuk mendapatkan pembacaan mentah dari transduser tekanan diferensial, dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang linier dan dapat diukur sesuai dengan nilai tekanan yang diukur.

Kesimpulan

Pemancar tekanan diferensial adalah perangkat terintegrasi yang dapat digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan dalam sistem fluida. Pengukuran dari pemancar DP dapat digunakan untuk mengukur laju aliran, tekanan (pengukur, diferensial dan tekanan absolut) dan bahkan keberadaan fluida/gas dalam beberapa kasus. Artikel ini ditayangkan untuk memberikan pengenalan transduser tekanan diferensial industri, konstruksi mereka dan ide singkat tentang berbagai jenis pemancar DP yang tersedia.