1

PROBLEM PENGUKURAN TEMPERATUR

DALAM FLUIDA MENGALIR (*)

Sukmanto Dibyo

ABSTRAK PROBLEM PENGUKURAN TEMPERATUR DALAM FLUIDA MENGALIR : Pengukuran temperatur fluida mengalir, pada umumnya menggunakan termokopel. Salah satu permasalahan error pengukuran pada termokopel terjadi karena aliran konduksi panas antara ujung pengukur temperatur merambat menuju batang penyangga. Makalah ini menghitung besarnya error akibat pengaruh konduksi panas dari ujung termokopel ke dinding pipa sistem primer RSG-GAS. Hasil menunjukkan, berdasarkan pengukuran temperatur di dinding pipa primer dan data pengukuran temperatur aliran dari CT-01 bahwa besarnya error dapat dianggap sangat kecil yakni -0,028oC pada daya reaktor 25MW. ABSTRACT TEMPERATURE MEASURERING PROBLEM IN FLOWING FLUID : In attempting to measure temperature of flowing fluid, the thermocouple is commonly used. Error problem is arise due to heat conduction flowing from junction to the thermocouple support. This paper calculates the temperature error measurement at CT-01 (Control Temperature) of primary pipe. Based on temperature measurement data taken from CT-01 and pipe wall of primary sistem, it shows that the error indicate very small of -0,028oC at reactor power of 25MW. (*) : Disampaikan pada Seminar Pranata Nuklir BATAN, Jakarta 24-25 Juni 1997 (**) : Sub-Bidang Teknologi sistem BTR-PRSG

2

PENDAHULUAN Latar Belakang Pengukuran temperatur aliran fluida banyak menemui berbagai hal yang menyangkut permasalahan respon alat sensor ukur yang digunakan. Pada umumnya pengukuran temperatur untuk fluida mengalir di dalam pipa, menggunakan alat ukur jenis termokopel. Salah satu permasalahan dalam menggunakan termokopel adalah terjadinya error (penyimpangan) pengukuran oleh pengaruh perpindahan panas dari ujung pengukur temperatur dan batang penyangga di dekatnya. Permasalahan terjadi karena aliran konduksi panas antara ujung pengukur temperatur merambat menuju batang penyangga. Disamping itu penyimpangan berupa fluktuasi juga disebabkan oleh fluktuasi kecepatan aliran fluida di mana pengukur temperaturnya berada pada posisi tetap. Beberapa literatur mengatakan bahwa dalam beberapa kasus error pengukuran temperatur ini perlu diperhitungkan. Perhitungan terhadap kemungkinan error pengukuran temperatur yang ada di RSG-GAS berguna untuk mengetahui tingkat akurasinya. Tujuan Berdasarkan uraian di atas maka makalah ini ingin menghitung besarnya error (penyimpangan) pengukuran temperatur akibat pengaruh konduksi panas dari ujung termokopel ke penyangga termokopel (dinding pipa) pada sistem primer.

TEORI Termokopel (1)

Apabila 2 kawat yang berbeda bahan, disambungkan di dalam satu junction di mana salah satu bahan pada temperatur T1 dan yang lain pada temperatur T2 maka apabila diukur akan timbul arus dari junction tersebut. Besarnya arus ini tergantung pada jenis bahan dan temperaturnya, hubungan antara arus dan temperatur ini digunakan sebagai dasar pengukuran secara termoelektris yang dikenal dengan nama Efek Seebeck. Termokopel adalah alat ukur temperatur yang banyak dipakai di dalam industri maupun laboratoria penelitian. Jenis termokopel yang pada umumnya dipakai adalah Platinum/ Rodium, Cromel/ Alumel, Copper/Constantan dan seba-gainya. Tiap jenis memiliki rentang pengukuran dan besarnya error pemba-caan yang berbeda-beda. Pengukuran temperatur pada fluida yang mengalir di dalam pipa bisa timbul error oleh pengaruh temperatur dari dinding pipa, di mana temperatur dinding pipa dipengaruhi oleh temperatur sekitarnya. Jenis-jenis error dalam pengu-kuran temperatur fluida oleh perpindahan panas, terutama disebabkan karena : 1. Error oleh konduksi panas 2. Error oleh radiasi panas Error Karena Konduksi Panas (1)(2)

Pada umumnya pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur fluida mengalir atau diam yang terdapat pada sebuah pipa, sangatlah sederhana

3

yaitu dengan menancapkan termokopel yang cukup panjang menembus dinding pipa seperti yang terlihat pada gambar 1. Untuk memperkuat kedudukan probe termokopel, maka termokopel disangga pada dinding pipa.

Temperatur dinding bisa lebih panas atau lebih dingin dari temperatur fluidanya. Dengan adanya berbedaan temperatur antara fluida dan dinding maka akan terjadi proses perpindahan panas dari fluida ke dinding atau sebaliknya. Untuk menyederhanakan proses analisis perpindahan panas konduksi pada kasus yang terjadi seperti gambar 2, maka perlu dibuat model perhitungannya. Model yang dibuat dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 2. Model Perhitungan

Perpindahan Panas

Di dalam model tersebut dibuat asumsi bahwa temperatur pada termokopel merupakan fungsi dari x (panjang) tetapi tidak bergantung terhadap waktu dan temperatur fluida seragam disekitar dinding batang termokopel. Sehingga perhitungan perpindahan panas secara konveksi dapat dilakukan dengan memakai neraca panas. Panas pada x = (Panas yang keluar pada dx +x) + ( Panas yang hilang pada permukaan) qx = qx+dx + q .................................. (1) dengan memasukkan faktor konduktivitas (k) dan luas penampang (A), maka persamaaan ( 1 ) dapat diubah menjadi,

q q ddx

q dx kAdTdx

ddx

kAdTdx

dxx dx x xr r

+ = + =− + −( ) ( )

........................................................... (2) Dengan menganggap k dan A konstan , dan mengasumsikan panas yang hilang akibat konveksi permukaan sebagai : q h Cdx T Tfl r= −( )( ) ......................... (3) di mana h=koefisien perpindahan panas dan Cdx=luasan, maka persamaan (2) dapat diubah menjadi

d Tdx

hCkA

T hCkA

Trr f

2

2 − = − .....................(4)

Persamaan (4) akan menjadi persamaan differensial linier apabila h dan C konstan, sehingga Tr hanya sebagai fungsi x saja. Untuk menyelesaikan persaamaan tersebut maka diperlukan kondisi batas, yaitu :

x dx

Tf

L

qx qx+dx

Tr(x)

arah aliran

termokopel Tw

Tf

Gambar 1. Pemasangan Termokopel

4

Tr = Tw pada x = 0

dTdx

r= 0 pada x = L (ujung batang

terisolasi).

dTdx

r≈ 0 pada x = L (batang

sangat panjang tanpa terisolasi) Dengan syarat batas tersebut, maka penyelesaian persamaan diferensial menjadi :

T T T T emL

e emL

er f f w

mLmx

mLmx= − − −

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

−( )cosh cosh

12 2

............................................................(5)

di mana : m hCkA

≅ ..........................(5a)

Oleh karena pada umumnya elemen sensor temperatur ditempatkan pada x=L, sehingga persamaan (5) menjadi,

errorsuhu T T T TmL

r fw f

= − =−

cosh...........(6)

Jika kondisi batas pada x=L berubah sesuai dengan keadaan riil pada posisi x dan di mana koeffisien perpindaan panas konveksi film he pada ujung L, maka persamaan (6) akan menjadi :

( )[ ]T T T TmL h mk mL

r fw f

e− =

−+cosh / sinh

.....(7)

Akan tetapi persamaan ini akan lebih rumit dibanding persamaan (6). Aplikasi Perhitungan Termokopel dengan kode CT-01 mengukur temperatur air pendingin yang

mengalir di dalam pipa primer pada daya reaktor 15MW dan 25MW, temperatur ruangan primary cell konstan 34oC. Tercatat temperatur dari CT-01 sebagai Tf dan temperatur dinding pipa di dekat posisi CT-01 sebagai Tw masing-masing disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Data Temperatur Tf dan Tw

Tgl.

Daya Reak tor (MW)

Temperatur Tf (oC)

Temperatur Tw

(oC)12/6/97 15 35,6 35,4 13/6/97 25 43,9 43,4

Data-data lain yang diperlukan sbb: Konduktifitas Panas Bahan, k=50 w/moC Panjang Celupan, L=20cm = 0,2 m Diameter wire, d=0,005 m, A=0,0002 m2 dan C=0,016m. Koefisien perpindahan panas rerata h=200 w/m2oC (3)

Error pengukuran temperatur oleh konduksi panas pada termokopel dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (5), harga m diperoleh dari persamaan (5a) sebesar 17,89. Tabel 2 menyajikan hasil perhitungan error yang diperoleh dari 2 data pengukuran di atas. Tabel 2. Hasil Perhitungan Error Tempera

tur Tf(oC)

Temperatur

Tw(oC)

Error (oC)

% (abs)

35,6 35,4 -0,011 0,0343,9 43,4 -0,028 0,06

5

PEMBAHASAN Dari persamaan (6) dapat ditunjukkan bahwa semakin besar beda temperatur antara fluida yang mengalir dengan temperatur dinding pipa maka semakin besar error yang terjadi. Oleh karena itu untuk memperoleh error seminimal mungkin, maka pengaruh temperatur dinding pipa terhadap termokopel harus diminimalkan dengan usaha mengisolasi panas. Suku cosh mL akan besar bila m dan L besar. Oleh karena itu dalam praktek pemasangan termokopel, probe harus sedalam mungkin dicelupkan (L disebut panjang celupan). Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa semakin daya reaktor tinggi maka error temperatur CT-01 semakin tinggi pula, akan tetapi angka error ini masih dianggap sangat kecil (-0,028oC pada daya reaktor 25MW). Sebagai pembahasan tambahan bahwa apabila temperatur ruangan primary cell lebih dingin maka temperatur Tw akan turun dan berakibat error akan naik. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan dan bahasan yang dikemukakan di atas dapatlah diungkapkan kesimpulan yakni bahwa, • Insulasi panas dapat memperkecil

beda (Tw-Tf) dan dengan memperbesar L (dicelupkan sedalam dalamnya) dapat mengurangi besarnya error.

• Besarnya error oleh pengaruh konduksi panas pada pengukuran aliran di dalam pipa primer oleh CT-01 di dianggap sangat kecil. Apabila

temperatur ruangan primary cell lebih dingin maka error akan naik.

DAFTAR PUSTAKA 1. Andrianto,"Pengukuran Data",TK-

608, ITB/1992. 2. Benedict,"Fundamentals of Tempe-

rature Pressure And Flow Meas-urement",Wiley, NY, 1997

3. Birth S, Lightfoot,”Transport Phenomena”Departement of Chemical Eng. Univ. of Wisconsin, John Wiley &Sons,Inc. Page291

***