Pengukuran level air dengan prinsip hidrostatis

Pendahuluan

Mengukur adalah suatu aktivitas atau tindakan membandingkan suatu besaran yang belum diketahui nilainya atau harganya terhadap besaran lain yang sudah diketahui nilainya, misalnya dengan besaran yang standar. Pekerjaan membandingkan tersebut tidak lain adalah pekerjaan pengukuran atau mengukur. Sedangkan pembandingnya yang disebut sebagai alat ukur level. Pengukuran banyak sekali dilakukan dalam bidang teknik atau industri. Sedangkan alat ukurnya sendiri banyak sekali jenisnya, tergantung dari banyak faktor, misalnya objek yang di ukur serta hasil yang diinginkan. 

Tujuan dari pengukuran level air adalah untuk mengetahui ketinggian air dalam suatu bejana tertutup atau terbuka. Ada beberapa metode yang biasa digunakan dalam pengukuran level air, antara lain ultrasonic, pulsa echo, pulsa radar, tekanan/hidrostatik, berat/tegangan gauge, konduktivitas, kapasitif. 

Yang akan disoroti dalam artikel ini adalah pengukuran level air dengan prinsip hidrostatis. Dan kebetulan pokok bahasan inilah yang mengantarkan penulis meraih gelar sarjana.

Sifat dasar fluida

Untuk memahami prinsip kerja dan proses pengkuran level air dengan tekanan/secara hidrostatis terlebih dahulu perlu kita pahami dahulu sifat-sifat dasar fluida, karena kita akan selalu bersentuhan dengan fluida baik zat cair ataupun gas. Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relative lebih kecil pada perubahan bentuk karena gesekan. Zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika diberikan gaya yang sangat besar. Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasara fluida yang meliputi; kerapatan (density), berat jenis (specific gravity), tekanan (pressure), dan kekentalan (viscosity).

 1. Kerapatan/density

Kerapatan atau density dinyatakan dengan ρ (ρ adalah huruf kecil Yunanai yang dibaca “rho”), didefinisikan sebagai massa persatuan volume.

                              ρ=m/v

dimana,       ρ= kerapatan               (kg/m³)

                   m= massa benda          (kg)

                   v= volume                   (m³)

Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik untuk setiap bahan murni. Benda terususun atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya.

Satuan standard internasional (SI) untuk kerapatan adalah kg/m³. Untuk kerapatan berbagai bahan ditunjukkan pada tabel.

Bahan	Kerapatan ρ (kg/m3)
Air pada suhu 400 C Darah, plasma Darah seluruhnya Air laut Raksa Alkohol, alkyl Bensin	1.00 х 103 1.03 х 103 1.05 х 103 1.025 х 103 13.6 х 103 0.79 х 103 0.68 х 103

Kerapatan ditetapkan pada suhu 0⁰C dan tekanan 1 atm, kecuali ditentukan lain.

2. Berat jenis/specific gravity

Berat jenis suatu bahan didefinisikan sebagai perabandingan kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis adalah besaran murni tanpa dimensi maupun satuan.

3. Tekanan/pressure

Tekanan didefiniskan sebagai gya persatuan luas, dengna gaya F dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A, maka

                                          P=V/A

dimana        P = tekanan                 (kg/m²)

                    F = gaya                      (kg)

                    A= luas                        (m²)

Satuan tekanan dalam SI adalah N/m² dan memiliki nama resmi Pascal (Pa), sebagai penghormatan kepad Blaise Pascal. 1 Pa= 1 N/m². Konsep tekanan sangat berguna terutama dalam berurusan dengan fluida. Sebuah fakta eksperimental menunjukkan bahwa fluida menggunakan tekanan ke semua arah. Hal ini sangat dikenal oleh para perenang dan juga penyelam yang secara langsung merasakan tekanan air pada seluruh bagian tubuhnya. Pada titik tertentu dalam fluida diam, tekanan sama untuk semua arah. Ini diilustrasikan dalam II-1. Bayangkan fluida dalam sebuah kubus kecil sehingga kita dapat mengabaikan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Tekanan pada suatu sisi harus sama dengan tekanan pada sisi yang berlawanan. Jika hal ini tidak benar, gaya netto yang bekerja pada kubus ini tidak akan sama dengan nol, dan kubus ini akan bergerak hingga tekanan yang bekerja menjadi sama.

Tekanan yang diberikan fluida ke segala arah

Tekanan dalam cairan yang memilik kerapatan sama bervarisai terhadap kedalamannya. Sebagai ilutrasi dpat dilihat pada gambar, semakin dalam cairan maka semakin besar pula gaya tekannya ke segala arah.

Tekanan pada kedalaman h dalam cairan

Tekanan yang terjadi di kedalam h  ini disebabkan oleh berat kolom cairan di atasnya. Dengan demikian gaya yang bekerja pada luasan tersebut adalah F=mg= ρAhg, dengan Ah adalah volume kolom tersebut, ρ adalah kerapatan cairan (diasumsikan konstan), dan g adalah percepatan gravitasi. Kemudian P adalah

P=F/A  [kg/m²]                               (2-3)

P=ρ.g.h [kg/m²]                                    (2-4)

Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa tekanan berbanding lurus dengan kerapatan cairan dan kedalaman cairan tersebut. Secara umum, tekanan pada kedalaman yang sama dalam cairan yang seragam sama. Persamaa 2-4 berlaku untuk fluida yang kerapatannya konstan dan tidak berubah terhadap kedalaman. Dari persamaa 2-4 pulalah yang menjadi dasar dari penulisan tugas akhir ini, dimana semua perencanaan dan perancangan sistem pengukuran yang penulis tulis dalam tugas akhir ini memanfaatkan persamaan 2-4, dalam kasus ini penulis memanfaatkan persamaan 2-4 untuk mengukur dan memonitor volume tangki penyimpanaan produk serta mengendalikan proses yang sedang berlangsung.

Pressure transmitter 

Pressure transmitter yang digunakan dalam perancangan sistem adalah Cerabar  S PMC71 buatan Endress Hauser. Pressure transmitter jenis ini memanfaatkan rangkaian jembatan wheatstone dengan dalam mengubah besaran fisis tekanan menjadi besaran elektrik dengan menggunakan silicon straingauge sebagai resistor dan metallic process membrane untuk engindra perubahan tekanan.

Prinsip kerja sensor/transmitter

Konstruksi sensor/transmitter

Cerabar merupakan resistif pressure transmiter. Resistansi yang dihasilkan oleh rangkaian jembatan wheatstone akan diolah oleh bagian kendali transmiter untuk diubah menjadi keluaran arus 4-20mA.

Prinsip pengukuran hidrostatis

Sistem pengukuran volume cairan di dalam bejana ini merupakan implementasi dari hukum pascal yang berbunyi tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Dengan memanfaatkan persamaan ΔP= ρg(Δh). Sistem pengukuran dilakukan dengan menempatkan dua buah sensor tekanan  di dasar bejana dan di bagian paling atas bejana. 

Prinsip pengukuran hidrostatis

h=P/(ρg)

dimana:

h = level air dalam bejana (meter)

g = percepatan grafitasi (m/s2)

P = tekanan hodrostatis, hasil pengukuran sensor (bar/mBar/Pa)

ρ =  massa jenis larutan, konstanta yang digunakan dalam kalkulasi (kg/m3)

Untuk mengukur level air dalam bejana terdapat dua metode yaitu mengukur level air dalam bejana terbuka dan bejana tertutup. Dalam pengukuran level air dalam bejana terbuka menggunakan perancangan sistem yang sudah dipaparkan diatas. Sedangkan untuk mengukur level air dalam bejana tertutup menggunakan dua buas sensor tekanan yang ditemparkan di dasar bejana (P1) dan di bagian atas bejana (P2). Sensor P2 berfungsi untuk mengukur tekanan udara di dalam bejana karena umumnya bejana tertutup merupakan bejana bertekanan dan tekanan udara antara air dan bagian atas bejana sangat berpengaruh dalam perhitungan level air dengan prinsip hidrostatis ini.

Untuk mengukur level air dalam bejana tertutup menggunakan perhitungan matematis berikut:

h=ΔP/(ρg)

dimana ΔP adalah P1-P2.

Pengukuran level air dengan metode ini hanya dapat dilakukan pada cairan/larutan yang homogen karena sangat berpengaruh pada konstanta massa jenis. Dengan kata lain untuk mendapatkan pengukuran yang akurat cairan di dalam bejana haruslah memiliki massa jenis yang sama dan tidak diperkenankan untuk mencampurkan dua atau lebih cairan dengan massa jenis yang berbeda dalam satu bejana tertutup.