Panduan Esensial Pitot Tube: Cara Mengukur Kecepatan Udara dan Aliran Fluida

Pikirkan bagaimana kecepatan diukur dalam aplikasi seperti pesawat, pitot tube adalah instrumen yang dirancang untuk tugas ini. Instrumen ini yang dikenal sebagai pitot probe terdiri dari tabung dengan lengkungan siku pendek. Perangkat ini digunakan untuk menghitung kecepatan tergantung pada aliran fluida. Pitot tube digunakan dalam anemometer untuk mengukur kecepatan udara di terowongan angin dan di pesawat terbang saat terbang. Digunakan untuk mengukur aliran cairan, udara, dan gas.

Hari ini Anda akan memahami definisi, fungsi, aplikasi, komponen, diagram, persamaan, tipe, dan cara kerja pitot tube. Anda juga akan mengetahui hal-hal berikut:

• Tekanan statis
• Tekanan dinamis
• Tekanan stagnasi
• Kecepatan aliran
• Pitot tube single-port
• Pitot tube rata-rata
• Bagaimana mengukur aliran udara dengan pitot tube, akhirnya
• Anda mengetahui kelebihan dan kekurangan pitot tube.

Apa itu pitot tube?

Pitot tube adalah instrumen pengukuran aliran untuk mengukur kecepatan (kepatuhan) dari fluida yang mengalir. Ditemukan oleh Henri Pitot yang merupakan insinyur Prancis pada abad ke-18. Perangkat ini dimodifikasi ke bentuk modernnya pada pertengahan abad ke-19 oleh ilmuwan Prancis Henry Darcy. Pitot tube adalah tabung tipis, yang memiliki dua lubang di dalamnya. Lubang depan ditempatkan dalam arus udara, membantu mengukur yang dikenal sebagai tekanan stagnasi. Lubang sisi mengukur yang disebut tekanan statis. Pengukuran antara kedua tekanan ini adalah yang memberi kita tekanan dinamis, yang dapat digunakan untuk menghitung kecepatan udara. Ini akan dijelaskan lebih lanjut.

Pitot tube yang merupakan instrumen sensor aliran dapat menjadi alternatif yang hemat biaya untuk orifice plate. Akurasinya berkisar dari 0,5% hingga 5% FS, yang mirip dengan orifice. Juga, rentang alirannya 3:1 (meskipun beberapa bekerja pada 4:1) lebih mirip dengan kapasitas orifice plate. Perbedaan antara kedua perangkat ini adalah orifice mengukur aliran penuh, sementara pitot tube hanya dapat mendeteksi kecepatan aliran pada satu titik dalam aliran.

Aplikasi pitot tube

Pitot tube kini dapat ditemukan dalam banyak aplikasi tidak hanya di penerbangan. Populer bahwa instrumen digunakan di penerbangan, mereka juga umum dalam mesin industri, perahu, dan bahkan mobil sport. Faktanya, Anda bahkan dapat menggunakan pitot tube untuk proyek Anda yang memerlukan pengukuran kecepatan aliran. Namun, pesawat sering menggunakan pitot-static tube yang berisi dua lubang alih-alih tabung terpisah dan port statis.

Pitot tube tunggal memiliki kemampuan untuk mengukur tekanan statis dan tekanan stagnasi. Port statis di sisi pitot tube membantu mencapai kemampuan all-in-one ini. Ini menghilangkan kebutuhan akan port statis terpisah. Saya akan menjelaskan lebih lanjut di bawah artikel ini.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, pitot tube banyak digunakan untuk menentukan kecepatan pesawat, dan kecepatan air perahu. Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran cairan, udara, dan gas dalam beberapa aplikasi industri. Pada dasarnya, instrumen digunakan dalam eksperimen terowongan angin dan di pesawat untuk mengukur kecepatan aliran. Digunakan dalam berbagai aplikasi pengukuran aliran seperti kecepatan udara di mobil balap dan jet tempur angkatan udara. Dalam aplikasi industri, pitot tube digunakan untuk menghitung aliran udara di pipa, saluran, dan tumpukan. Juga, aliran cairan di pipa, weir, dan saluran terbuka.

Akhirnya, dalam aplikasi pitot tube digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida dengan mengukur perbedaan tekanan statis dan dinamis. Ini dapat dicapai dengan mengubah energi kinetik dalam aliran fluida menjadi energi potensial.

Komponen pitot tube

Diagram pitot tube:

Persamaan pitot tube

Prinsipnya didasarkan pada Persamaan Bernoulli di mana setiap istilah persamaan dapat ditafsirkan sebagai tekanan

p + 1/2 ρ v² + ρ g h

= p + 1/2 ρ v² + γ h

= konstan sepanjang garis aliran … (1)

Di mana:

p = tekanan statis (relatif terhadap fluida bergerak) (Pa)

ρ = densitas fluida (kg/m³)

v = kecepatan aliran (m/s)

γ = ρ g = berat spesifik (N/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian elevasi (m)

Setiap istilah persamaan memiliki dimensi gaya per satuan luas N/m² (Pa) – atau dalam satuan imperial lb/ft² (psi).

Tekanan Statis – Istilah P menunjukkan tekanan statis. Ini statis relatif terhadap fluida bergerak dan dapat diukur melalui lubang datar yang sejajar dengan aliran

Tekanan Dinamis – Istilah kedua – 1/2 ρ v² – disebut tekanan dinamis.

Tekanan Hidrostatik – Istilah ketiga – γ h – disebut tekanan hidrostatik. Ini mewakili tekanan akibat perubahan elevasi.

Tekanan Stagnasi – Persamaan Bernoulli menyatakan bahwa energi sepanjang garis aliran konstan – dan dapat dimodifikasi menjadi

p₁ + 1/2 ρ v₁² + γ h₁

= p₂ + 1/2 ρ v₂² + γ h₂

= konstan sepanjang garis aliran … (2)

Di mana:

suffix₁ adalah titik dalam aliran bebas upstream

suffix₂ adalah titik stagnasi di mana kecepatan dalam aliran nol

Kecepatan Aliran – Pada titik pengukuran kita menganggap tekanan hidrostatik konstan di mana h₁ = h₂ – dan bagian ini dapat dihilangkan. Karena v₂ adalah nol, (2) dapat dimodifikasi menjadi:

p₁ + 1/2 ρ v₁² = p₂ … (3)

atau

v₁ = [2 (p₂ – p₁) / ρ] ¹/²

= [2 Δp / ρ] ½ … (4)

Di mana:

Δp = p₂ – p₁ (perbedaan tekanan diferensial)

Dengan (4) memungkinkan untuk menghitung kecepatan aliran di titik 1 – aliran bebas upstream – jika kita mengetahui perbedaan tekanan diferensial Δp = p₂ – p₁ dan densitas fluida.

Umum untuk menggunakan head alih-alih tekanan. (4) dapat dimodifikasi dengan membagi dengan berat spesifik γ menjadi

v₁ = c [2 g Δh] ¹/² … (5)

di mana:

c = koefisien – tergantung pada cairan referensi dan satuan yang digunakan atau dihitung

g = percepatan gravitasi

Δh = h₂ – h₁ = selisih ketinggian (kolom fluida)

Catatan! – dalam persamaan dasar satuan head berkaitan dengan densitas fluida yang mengalir. Untuk satuan dan cairan referensi lain – seperti mm Water Column – lihat Velocity Pressure Head.

Cara kerja pitot tube

Cara kerja pitot tube kurang kompleks dan mudah dipahami. Pitot tube mengukur dua tekanan; statis dan total impact pressure. Tekanan statis adalah tekanan operasi di pipa, saluran, atau lingkungan, upstream dari pitot tube. Diukur dengan sudut siku terhadap arah aliran, sering di lokasi turbulensi rendah.

Jumlah tekanan statis dan kinetik adalah total impact pressure (PT). Terdeteksi saat arus mengalir mengenai lubang pitot. Untuk mengukur tekanan impact ini, pitot tube yang digunakan sering kecil, dan kadang tabung berbentuk L. Lubang harus langsung menghadap arus yang datang. Kecepatan titik pendekatan (VP) dihitung dengan mengambil akar kuadrat dari perbedaan antara tekanan total (PT) dan tekanan statis (P). Kemudian akan dikalikan dengan rasio C/D, di mana C adalah konstanta dimensi dan D adalah densitas. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai;

Vp = C(PT – P)½/D

Karena debit diperoleh dengan mengalikan kecepatan titik (VP) dengan luas penampang pipa atau saluran, pengukuran kecepatan harus dilakukan pada kedalaman penjemputan yang sesuai dengan kecepatan rata-rata. Profil kecepatan di pipa berubah dari panjang (laminar) menjadi lebih rata (turbulent). Ini terjadi karena kecepatan aliran meningkat. Ini mengubah titik kecepatan rata-rata dan memerlukan penyesuaian kedalaman penjemputan.

Instrumen pitot tube hanya digunakan untuk aliran yang sangat turbulent (Reynolds Numbers > 20,000). Oleh karena itu, profil kecepatan perlu cukup rata sehingga kedalaman penjemputan tidak krusial.

Tonton video di bawah ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang cara kerja pitot tube:

Pitot tube single-port

Pitot tube single-port mengukur kecepatan aliran hanya pada satu titik dalam penampang aliran yang mengalir. Probe harus disuntikkan ke titik dalam aliran yang mengalir di mana kecepatan aliran adalah rata-rata kecepatan di seluruh penampang. Port impact harus menghadap langsung ke aliran fluida.

Pitot tube single-port dapat dibuat kurang sensitif terhadap arah aliran jika port impact memiliki internal bevel sekitar 15 derajat, memanjang sekitar 1,5 diameter ke dalam tabung. Jika perbedaan tekanan yang dibuat oleh venturi terlalu rendah untuk deteksi yang akurat, pitot tube konvensional dapat diganti dengan pitot venturi. Sensor double venturi juga dapat digunakan untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang lebih tinggi.

Pitot tube single-port yang bersih, terkalibrasi, bersih, dan disuntikkan dengan benar akan menawarkan akurasi debit full-scale ±1% dalam rentang debit 3:1. Dengan sedikit kehilangan akurasi, instrumen bahkan dapat mengukur dalam rentang 4:1. Manfaat pitot tube single-port mencakup biaya rendah, kesederhanaan desain, tidak ada bagian bergerak, dan menyebabkan kehilangan tekanan yang sangat sedikit dalam aliran. Meskipun memiliki beberapa keterbatasan yang mencakup kesalahan yang timbul dari perubahan profil kecepatan atau dari penyumbatan port tekanan.

Pitot tube rata-rata

Pitot tube rata-rata ditemukan untuk mengatasi masalah menemukan titik kecepatan rata-rata. Tabung ini disediakan dengan beberapa port impact dan tekanan statis. Dirancang untuk memanjang di seluruh diameter pipa. Tekanan yang terdeteksi oleh semua port tekanan impact akan digabungkan dan akar kuadrat dari perbedaan mereka diukur sebagai indikasi aliran rata-rata di pipa.

Ada port yang lebih dekat ke outlet sinyal gabungan, yang memiliki pengaruh sedikit lebih besar dari port yang terjauh. Meskipun untuk aplikasi sekunder di mana pitot tube umum digunakan mungkin melihat kesalahan sebagai tidak signifikan. Pitot tube dapat dimodifikasi untuk memenuhi kebutuhan aplikasi tertentu seperti jumlah port impact, jarak antara port, dan diameter pitot tube rata-rata.

Port sensing pitot tube rata-rata sering terlalu besar sehingga tabung dapat berfungsi sebagai kamera rata-rata yang sebenarnya. Lubang port dioptimalkan untuk mencegah penyumbatan alih-alih rata-rata. Meskipun, purging dengan gas inersia digunakan untuk menjaga port tetap bersih, memungkinkan sensor untuk menggunakan port yang lebih kecil.

Tipe pitot tube rata-rata menawarkan manfaat dan keterbatasan yang sama dengan single-port tube. Hanya itu, mereka sedikit lebih mahal dan sedikit lebih akurat, terutama jika aliran tidak terbentuk sepenuhnya. Selain itu, beberapa sensor pitot rata-rata dapat disuntikkan melalui lubang yang sama (atau hot tap) yang mengakomodasi tabung single-port.

Bagaimana mengukur aliran udara dengan pitot tube

Karena pitot tube cocok untuk pengukuran aliran udara kecepatan menengah hingga tinggi, penting untuk mengetahui cara mengukur aliran udara dengan instrumen. Pengukuran yang akurat memerlukan koreksi densitas dan travers yang hati-hati. Ini karena akurasi ditentukan oleh perangkat pengukuran tekanan yang dipasang pada pitot tube. Meskipun metode yang lebih hemat (hot wire dan vane) dapat digunakan untuk mengukur aliran udara dalam aplikasi debit rendah. Namun, untuk aplikasi debit tinggi atau suhu tinggi, pitot tube ideal.

Seperti yang dinyatakan di atas, pitot tube mengukur tekanan total dan tekanan statis untuk menentukan tekanan kecepatan. Proses ini juga menghasilkan kecepatan udara. Tabung disuntikkan ke dalam saluran dengan ujungnya menunjuk ke arah aliran udara. Port positif manometer terhubung ke port tekanan total (Pt) dan negatif ke port tekanan statis (Ps). Manometer ini kemudian akan menampilkan tekanan kecepatan yang dapat diubah menjadi kecepatan.

Pitot tube modern dirancang dengan hidung atau ujung yang tepat dan jarak antara hidung, port tekanan statis, dan batang cukup. Ini akan meminimalkan turbulensi dan interferensi, membuatnya dapat digunakan tanpa faktor koreksi atau kalibrasi.

Memastikan pembacaan tekanan kecepatan yang akurat, ujung pitot tube harus menunjuk langsung ke (sejajar dengan) arus udara. Dengan penyejajaran yang benar pitot tube, indikasi tekanan kecepatan akan pada maksimumnya.

Perhatikan bahwa pembacaan yang akurat tidak dapat diambil dalam arus udara turbulent. Pitot tube harus disuntikkan setidaknya 8-1/2 diameter saluran di bawah siku, lengkungan, atau halangan lain yang dapat menyebabkan turbulensi. Untuk pengukuran yang presisi, vane pengurus harus terletak 5 diameter saluran upstream dari pitot tube jika tersedia.

Kecepatan udara tidak sama di seluruh area penampang saluran atau laminar. Oleh karena itu, travers saluran perlu dilakukan untuk menentukan kecepatan rata-rata. Gesekan dekat dinding saluran akan melambatkan aliran udara saat mereka menggosok dinding saluran. Pola yang ditentukan akan diikuti untuk memastikan pengukuran yang akurat.

Kelebihan dan kekurangan pitot tube

Kelebihan:

• Instrumen portabel
• Tidak memiliki bagian bergerak.
• Meskipun bekerja banyak, harganya murah
• Desain sederhana dan andal.
• Kehilangan tekanan permanen rendah.
• Kemudahan pemasangan ke dalam sistem yang ada.
• Cocok untuk berbagai kondisi lingkungan, termasuk suhu tinggi dan berbagai tekanan.

Kekurangan:

Meskipun keuntungan baik pitot tube, beberapa keterbatasan masih terjadi. Berikut adalah kekurangan pitot tube dalam berbagai aplikasi mereka.

• Rentang rendah
• Akurasinya rendah.
• Pembacaan dapat dengan mudah terhalang, tergantung pada fluida.
• Getaran dapat memberikan pembacaan yang salah dan bahkan dapat merusak instrumen.

Kesimpulan

Pitot tube adalah komponen yang hebat untuk mengambil pengukuran fluida yang mengalir. Dalam posting ini, kita telah memeriksa definisi, fungsi, aplikasi, persamaan, tipe, dan cara kerja pitot tube. Kami juga melihat keuntungan dan kekurangan instrumen pitot tube.

Saya harap Anda mendapat banyak dari artikel ini, jika ya, silakan bagikan dengan siswa lain. Terima kasih telah membaca. Sampai jumpa!