Meningkatkan Akurasi Sensor Fluida untuk Pengukuran Proses Industri yang Tepat

Nyalakan mobil Anda, isi segelas air dari keran, atau campurkan minyak goreng ke dalam adonan brownies Anda, dan Anda menggunakan cairan yang telah diekstraksi, diproses, dan dinilai kualitasnya dengan cermat. Pemikiran ke depan dan teknologi yang diperlukan agar cairan tersebut dapat digunakan oleh konsumen sering kali tidak terlihat, namun memerlukan pengukuran dan pemantauan yang tepat.

Saat memproses produk farmasi, bagaimana Anda mengetahui apakah suatu cairan berkualitas tinggi? Jika Anda bekerja dengan minyak mentah, bagaimana Anda tahu berapa banyak yang Anda ekstrak? Jika Anda mengangkut air, bagaimana Anda mengetahui laju alirannya?

Pertanyaan seperti ini, yang berdampak pada kepercayaan diri dan keuntungan bagi perusahaan air, makanan, ilmu hayati, serta minyak dan gas, ditangani oleh produsen pengukur aliran yang dipasang di saluran pipa dan peralatan lainnya. Di Endress+Hauser, tim pengembangan produk bekerja untuk mengembangkan dan memelihara sensor akurat untuk berbagai zat yang memerlukan metode pengukuran berbeda.

Mengukur Gaya Coriolis

Untuk menentukan sifat fluida yang mengalir di dalam pipa, sensor yang dirancang di Endress+Hauser mengukur efek gaya Coriolis di dalam perangkat yang dimasukkan ke dalam pipa yang terdiri dari satu atau lebih tabung pengukur yang berosilasi.

Tabung tersebut bersemangat sebelum cairan apa pun memasuki perangkat. Ketika cairan diam mengisi perangkat, tabung berosilasi secara seragam. Segera setelah fluida mulai mengalir melalui tabung yang berosilasi, fluida mulai memberikan gaya pada dindingnya. Osilasi tabung pengukur dipandang sebagai rotasi pada suatu sumbu oleh partikel fluida. Karena partikel fluida bergerak dalam kerangka acuan bergerak, mereka mengalami gaya inersia yang bekerja tegak lurus terhadap arah geraknya dan sumbu rotasi — gaya Coriolis. Karena kecepatan aliran relatif terhadap sumbu rotasi memiliki arah yang berlawanan pada bagian saluran masuk dan saluran keluar, gaya induksi bertindak untuk membelokkan tabung secara asimetris, menyebabkan pergeseran fasa atau jeda waktu di sepanjang tabung.

Bagian-bagian tabung yang berbeda mulai berosilasi dengan jeda waktu atau pergeseran fasa yang disebabkan oleh komponen puntiran dalam pergerakan pipa. Pergeseran fasa dan frekuensi osilasi tabung yang baru masing-masing merupakan fungsi dari laju aliran massa dalam tabung dan massa jenis fluida. Oleh karena itu, sinyal dari meteran dapat diinterpretasikan untuk mengukur aliran massa atau volume dan memastikan jumlah cairan yang diangkut sesuai dengan jumlah yang diinginkan.

Demikian pula, peningkatan viskositas fluida menyebabkan peningkatan redaman osilasi. Frekuensi osilasi terutama merupakan ukuran langsung dari kepadatan fluida. Misalnya, osilasi akan lebih cepat tetapi lebih teredam dengan zat seperti minyak (massa jenis lebih rendah dan viskositas lebih tinggi) dibandingkan dengan fluida seperti air (massa jenis lebih tinggi dan viskositas lebih rendah). Mengukur frekuensi dan redaman osilasi memungkinkan untuk menentukan kepadatan dan viskositas, dan memantau kualitas proses yang berkaitan dengan aliran fluida. Efek fisika yang sama juga berlaku pada suatu benda, seperti kantilever, yang berosilasi dalam fluida yang bergerak.

Contoh Viskoakustik

Gambar 1. Flowmeter Coriolis yang dirancang di Endress+Hauser. (Gambar:COMSOL)

Vivek Kumar, Pakar Senior dalam simulasi numerik di Endress+Hauser Flow, cabang Endress+Hauser yang memproduksi pengukur aliran ini (Gambar 1), berupaya meningkatkan kinerja sensor. Pekerjaan pemodelannya telah membantu timnya memahami efek aliran akustik, struktural, dan fluida pada pengukur aliran mereka secara mendalam. Memahami bagaimana interaksi struktur fluida dan vibroakustik memengaruhi performa sensor memungkinkan mereka melakukan berbagai penyesuaian desain untuk meningkatkan performa dan kualitas meteran.

Tim memulai analisis numerik mereka dengan model viskoakustik untuk memahami redaman viskos kompleks yang terjadi ketika fluida kental mengalir melalui tabung berosilasi.

Gambar 2. Hasil simulasi menunjukkan perubahan frekuensi osilasi tabung untuk viskositas fluida yang berbeda dan perpindahan mekanis yang dihasilkan (kiri). Contoh visual deformasi tabung akibat gerakan osilasi (kanan). (Gambar:COMSOL)

Dengan menggunakan perangkat lunak COMSOL Multiphysics®, mereka menganalisis efek viskositas fluida pada frekuensi osilasi tabung. Gambar 2 menunjukkan hasil simulasi yang memprediksi frekuensi serta perpindahan tabung untuk fluida dengan viskositas berbeda. Dengan kemampuan untuk mensimulasikan dan lebih memahami efek fisik yang menyebabkan pergeseran keluaran frekuensi meteran, tim dapat memanfaatkan efek ini untuk meningkatkan kinerja meteran. Dalam hal ini, variasi redaman tabung digunakan untuk mengkompensasi efek viskositas pada kesalahan densitas yang diukur.

“Kami ingin memahami bagaimana perbedaan cairan akan mempengaruhi kinerja sensor,” kata Kumar. “Dengan menggunakan simulasi, kami dapat menganalisis berbagai kasus dan pada akhirnya mengoptimalkan desain perangkat kami untuk membantu pelanggan kami mengkarakterisasi sifat material untuk cairan yang mereka gunakan atau ekstrak.”

Contoh Skala Mikro

Gambar 3. Chip MEMS Coriolis yang digunakan untuk pengukuran densitas dan viskositas. Di sebelah kiri adalah sensor lengkap yang dipegang tang. Di sebelah kanan adalah tata letak chip di dalam perangkat. (Gambar:COMSOL) Gambar 4. Dua mode eigen dari saluran mikro berosilasi. Warna menunjukkan tingkat perpindahan relatif dari berbagai wilayah saluran. (Gambar:COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, anak perusahaan Endress+Hauser Flow, mengembangkan perangkat MEMS berdasarkan konsep serupa. Mereka merancang dan menguji sensor osilasi untuk mengukur sifat fluida termofisika untuk berbagai kegunaan. Tim mengembangkan sensor untuk solusi pelanggan tertentu, sehingga penting bagi mereka untuk mengetahui jenis osilator yang akan memberikan sensitivitas terbaik untuk kasus unik.

Chip MEMS Coriolis (Gambar 3) menggunakan saluran mikro bergetar yang berdiri bebas yang beroperasi dengan prinsip yang sama dengan sensor aliran Coriolis yang lebih besar. Seperti dalam kasus simulasi Coriolis, analisis getaran perlu dilakukan pada saluran mikro untuk menentukan mode eigen fundamental dan laju osilasi dari berbagai ujung saluran aliran (Gambar 4). Sensor khusus ini digunakan untuk mengevaluasi kepadatan dan viskositas cairan, seperti gas inert, gas minyak cair (LPG), bahan bakar hidrokarbon, atau pelumas pendingin. Karena dimensinya, sensor ini cocok untuk mengukur jumlah cairan yang sangat kecil.

Gambar 5. Hasil thermal menunjukkan temperatur pada chip MEMS Coriolis secara 2D (atas) dan 3D (bawah). (Gambar:COMSOL) Gambar 6. Pengukur aliran elektromagnetik Promag W 400 tanpa saluran masuk atau keluar (0 x DN) yang dirancang di Endress+Hauser. Elektroda terlihat di dalam pipa. Lapisan poliuretan memberikan isolasi listrik antara pipa dan cairan. (Gambar:COMSOL)

Salah satu tantangan spesifik pada perangkat sekecil ini adalah tegangan tinggi yang digunakan untuk menggerakkan eksitasi dapat menyebabkan perangkat menjadi panas jika terjadi kegagalan listrik. Mengingat risiko keamanan ini, mereka melakukan analisis termal (Gambar 5) untuk menentukan di mana panas dihamburkan dalam chip dan apakah cairan akan menjadi terlalu panas. Suhu dipastikan tidak melebihi batas berkat ruang vakum yang mengelilingi saluran aliran yang meminimalkan perpindahan panas antara elektroda dan fluida.

Mengoptimalkan Pengukur Aliran Elektromagnetik

Jenis flowmeter lainnya adalah flowmeter elektromagnetik, yang memanfaatkan gaya Lorentz. Gaya Lorentz bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak melalui medan magnet (Gambar 6). Untuk flowmeter ini, partikelnya adalah ion-ion dari suatu cairan penghantar, pergerakannya berasal dari cairan yang mengalir melalui pipa, dan medan magnet disuplai oleh sekumpulan kumparan yang berada di atas dan di bawah pipa. Hasilnya adalah potensi elektromagnetik di seluruh pipa, yang dapat diukur dengan sepasang elektroda. Sinyal biasanya hanya pada urutan beberapa ratus mV per m/s; jika desain Anda tepat, potensial yang diukur akan sebanding dengan kecepatan aliran dan tidak bergantung pada konduktivitas.

Simulasi flowmeter elektromagnetik memerlukan perangkat lunak pemodelan multifisika untuk menghitung medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan dan distribusi kecepatan aliran dalam pipa, dan menggabungkannya untuk menghitung potensial listrik (Gambar 7). Pengukur aliran elektromagnetik biasanya ditentukan dengan akurasi pengukuran beberapa pecahan persen, sehingga simulasinya harus sangat akurat. Di Endress+Hauser Flow, pakar simulasi Dr. Simon Mariager dan Dr. Simon Triebenbacher menggunakan simulasi tersebut untuk menghilangkan salah satu keterbatasan utama pengukur aliran elektromagnetik:sensitivitas terhadap profil aliran.

Gambar 7. Model multifisika perangkat elektromagnetik. Arus kumparan ditampilkan sebagai panah merah dan garis arus menunjukkan kekuatan medan magnet di dalam flowmeter. Plot irisan berwarna menunjukkan besaran kecepatan pada saluran masuk flowmeter. Profil aliran yang tidak homogen ini dihasilkan oleh tikungan 90 derajat di bagian hulu (tidak ditampilkan). Setengah irisan di tengah menunjukkan fungsi bobot yang jauh lebih homogen dari sensor lubang penuh 0 x DN, yang menunjukkan desain yang tidak bergantung pada profil aliran dan gangguan terkait. (Gambar:COMSOL)

Meskipun pengukur aliran elektromagnetik konvensional ternyata sangat kuat, perubahan profil aliran — misalnya, yang terjadi setelah tikungan pada pipa — memang mengakibatkan kesalahan pengukuran. Untuk alasan ini, pabrikan merekomendasikan agar pengukur aliran ini memiliki panjang pipa lurus masuk tertentu (biasanya 10 kali ukuran diameter nominal) sebelum sensor. Namun, desain yang direkomendasikan ini dapat membuat pemasangan flowmeter elektromagnetik menjadi proses yang menantang, karena tersedia untuk ukuran pipa mulai dari beberapa milimeter hingga beberapa meter. Menghilangkan panjang saluran masuk adalah tujuan dari proyek pengembangan terbaru di Endress+Hauser Flow. Pekerjaan tersebut memerlukan optimalisasi fungsi bobot flowmeter. Secara teoritis, hal ini mengharuskan lengkungan fungsi bobot bernilai nol di semua tempat, namun secara matematis hal ini tidak mungkin dilakukan pada geometri dunia nyata.

Sebaliknya, elektroda pengukuran tambahan digunakan untuk memberikan derajat kebebasan yang diperlukan. Oleh karena itu, tim masih perlu menentukan berapa jumlah elektroda yang dibutuhkan dan di mana harus ditempatkan. Mereka menggunakan simulasi aliran pipa setelah adanya gangguan aliran, seperti tikungan dan katup, untuk memprediksi kinerja pengukur aliran elektromagnetik dalam berbagai aplikasi dunia nyata dan mengoptimalkan desainnya hingga tingkat di mana pengukur aliran baru menjadi hampir tidak bergantung pada profil aliran.

Melayani Kebutuhan Perusahaan dan Pelanggan

Untuk tim simulasi Endress+Hauser, fungsionalitas perangkat lunak COMSOL Multiphysics® telah membantu dalam pekerjaan Litbang harian mereka untuk mengoptimalkan dan mengembangkan perangkat pengukuran aliran. Analisis multifisika memberi mereka wawasan yang mengurangi keseluruhan waktu dan upaya yang dihabiskan untuk pengujian dan pembuatan prototipe serta memungkinkan mereka menghasilkan sensor dengan kualitas terbaik.

Christof Huber, Pakar Utama teknologi sensor canggih di Endress+Hauser Flow, merasa terinspirasi saat melihat bagaimana modelnya menghasilkan perubahan pada desain perangkat yang meningkatkan pengalaman pelanggan Endress+Hauser. “Alat-alat ini digunakan untuk memecahkan masalah pelanggan; kami melihatnya berhasil di lapangan, inovasi kami dipraktikkan; kami melihat manfaatnya, alasan kami melakukan ini,” kata Huber.

Artikel ini ditulis oleh Rachel Keatley untuk COMSOL (Burlington, MA). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini  .