Error Dalam Pengukuran

Setiap hasil pengukuran selalu mengandung error. Tidak ada pengukuran yang bebas error, ini merupakan sifat alamia, kecuali jika yang diukur/dihitung adalah jumlah barang atau jumlah kejadian. Error dalam pengukuran dikelompokan menjadi 3 jenis, yaitu spurious error, systematic error dan random error.

Spurious error merupakan gross error. Penyebab spurious error adalah karena kesalahan manusia (salah menggunakan metode, salah baca, salah lihat, salah mencatat) atau karena kesalahan alat ukur (instrument yang tidak berfungsi dengan baik).  Spurious error akan menyebabkan hasil pengukuran tidak valid karena berada jauh dari nilai rata-ratanya (outlier). Spurious error tidak bisa diikutkan dalam analisa statistik.  Cara menentukan spurious error dalam sekelompok hasil pengukuran adalah dengan outlier test.

Systematic error disebabkan oleh berbagai faktor yang secara sistematis mempengaruhi hasil pengukuran. Misalnya suatu keributan terjadi di dekat ruangan kelas dimana murid-murid sedang melakukan test.  Keributan ini bisa menyebabkan kesalahan menjawab pada semua murid karena terganggunya konsentrasi akibat keributan tersebut.  Contoh lainnya adalah adanya sludge dalam tanki bahan bakar yang menyebabkan kesalahan pada pengukuran level bahan bakar dalam tanki tersebut (level sludge juga ikut terukur).  Systematic error bernilai tetap atau jika berubah ia bisa diprediksi. Jadi Systematic error akan memberikan bias pada hasil pengukuran. Bias tersebut bisa bernilai positif atau negatif. Dalam prakteknya, systematic error ini sangat sulit untuk diidentifikasi/ditentukan.

Random error disebabkan oleh faktor-faktor yang secara acak/random berpengaruh pada suatu variable/besaran sepanjang proses cuplikan/sampling pengukuran.  Salah satu contoh faktor tersebut misalnya suasana hati (mood) seseorang yang bisa berpengaruh pada kinerjanya sehingga bisa mempengaruhi hasil pengukuran.  Random error menyebabkan pengukuran berulang yang dilakukan terhadap suatu besaran tidak pernah menghasilkan nilai yang sama.  Hasil pengukuran berulang tersebut akan terdistribusi di sekitar nilai benar-nya dan mengikuti distribusi normal (Gausian). Random error dapat ditentukan dengan menggunakan metode statistik.

Untuk membuat suatu hasil pengukuran dapat diterima oleh semua pihak, maka perkiraan error yang terkandung dalam hasil pengukuran tersebut harus disampaikan, baik menyangkut besarnya error tersebut maupun tingkat signifikannya.  Secara umum pernyataan hasil pengukuran yang baik akan berbentuk sbb:  : y ± C(y) 95, n (95% confidence level, n measurement). Dengan y  adalah perkiraan nilai benar dari pengukuran, yang juga merupakan nilai rata-rata dari beberapa kali pengukuran setelah dikoreksi terhadap systematic error,  dan C(y) adalah error.  Pernyataan diatas mengandung pengertian, nilai benar y tersebut 95% kemungkinan berada pada rentang  y  -  C(y)   dan  y + C(y) .

Process Control Hierarchy – Contoh di Debutanizer

Untuk lebih memahami process control hierarchy yang dibahas pada tulisan sebelumnya, berikut akan diperlihatkan salah satu contohnya yaitu pada unit debutanizer. Debutanizer dipilih karena unit proses ini cukup sederhana. Perlu diketahui bahwa tidak semua komponen Process Control Hierarchy digunakan di unit debutanizer ini, yang ada hanya tiga komponen pertama, yaitu Basic Regulatory Control, Enhanced Regulatory Control dan Advanced Process Control.

Debutanizer: Process Description & Basic Regulatory Control.

Debutanizer merupakan suatu unit proses yang memisahkan komponen C3/C4 (propane/butane) dari produk liquid yang lebih berat. C3/C4 merupakan komponen LPG.

Unit debutanizer terdiri dari Column utama V1, Overhead receiver V2, Reboiler heater H1 dan serangkaian Heat exchanger, Pompa serta peralatan pendukungnya, seperti terlihat pada gambar dibawah ini.

Feed yang umumnya berasal dari unit proses sebelumnya masuk ke Column melalui bagian sampingnya. Di dalam Column akan terjadi proses pemisahan C3/C4 dari liquid yang lebih berat. Liquid akan mengalir ke bagian bawah Column, sedangkan vapor akan naik ke bagian atas Column. Vapor keluar dari bagian atas (overhead) Column, didinginkan di Condencer E1, kemudian masuk  ke Receiver V2 dalam bentuk campuran vapor dan liquid.  Dalam Receiver V2,  vapor dipisahkan dari liquid. Vapor keluar dari V2 dibawah kendali pressure control PC01 menuju ke unit proses lainnya. Liquid dari V2 dikeluarkan dengan pompa P1. Sebagian liquid tersebut dikembalikan ke Column V1 sebagai reflux dibawah kendali temperature control TC02 yang di-cascaded ke FC03, sebagian lainnya sebagai produk LPG (overhead product) dikirim ke unit proses lanjutannya dibawah kendali level control LC04 yang di-cascaded ke FC05.  Sebagian vapor yang naik ke bagian atas Column V1 dihasilkan oleh Reboiler heater H1 dengan mensirkulasi sebagian liquid yang ada di bagian bawah Column V1 kembali ke V1 melalui H1. Sirkulasi reboiler ini menggunakan pompa P2. Liquid (bottom product) dikeluarkan dari bagian bawah Column V1 dengan menggunakan pompa P3 dibawah kendali level control LC06 yang di-cascaded ke FC07, menuju ke unit proses selanjutnya. Heater H1 merupakan 2-pass heater, dimana masing-masing pass dilengkapi dengan flow control FC08 dan FC09. Temperature yang keluar dari H1 dikontrol oleh TC12 yang di-cascaded ke fuel gas flow control FC13 dan Combustion air flow control  FC14.  Konfigurasi control yang dijelaskan ini (seperti yang ada dalam gambar diatas) merupakan basic regulatory control (BRC).

Enhanced Regulatory Control.

Untuk meningkatkan kinerja sistem kontrol dalam mendukung operasi unit Debutanizer diatas, maka dipasang Enhanced Regulatory Control (ERC) untuk melengkapi BRC yang ada. ERC yang dibuat tersebut terdiri dari:

• V1 Internal Reflux Control.
• H1 Pass Temperature Balance Control.
• H1 Fuel Heating Value Compensation.
• H1 Combustion Air Ratio Control.

V1 Internal Reflux Control.  Tujuan V1 Internal Reflux Control adalah untuk memanipulasi (mengubah-ubah) internal reflux dalam rangka menjaga/mengontrol top temperature TC02.  Dengan konfigurasi ini response kontrol akan lebih baik karena internal reflux memberikan response yang lebih cepat dibandingkan dengan external reflux seperti yang digunakan pada konfigurasi BRC.  Internal reflux dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: Fint = F * (1 + Cp/Hv * (To – Tr)), dengan F adalah external reflux flow (FI03), Cp adalah reflux heat capacity , Hv adalah reflux heat of vaporization, To adalah overhead temperature (TI15) dan Tr adalah reflux temperature (TI16).   Konfigurasi ERC ini juga dilengkapi dengan switch (HS03) sehingga operator dapat memilih apakah menggunakan ERC (internal reflux control) atau BRC (external reflux control).

H1 Pass Temperature Balance Control.  Tujuan konfigurasi ERC ini adalah untuk menjaga kesetimbangan temperature keluaran yang ada pada kedua pass H1, dengan mempertahankan total flow agar tetap pada suatu nilai tertentu.  Temperature yang setimbang (sama) di kedua pass akan membuat heater lebih efisien dan mengurangi terbentuknya kerak pada kedua pass.  Pass temperature balance control akan menjaga temperature keluaran semua pass agar selalu sama dengan jalan memanipulasi (mengubah-ubah) flow masing-masing pass melalui setpoint yang diberikan ke flow control masing-masing pass.  Prinsip kerja Pass Temperature Balance Control secara garis besar adalah jika temperature keluaran salah satu pass lebih tinggi, maka setoint flow control pass tersebut dinaikan sehingga temperature keluarannya turun, begitu pula sebaliknya.  Pada skema kontrol ini, digunakan delta temperature control (DTC10) dengan aksi integral, yang berfungsi menjaga perbedaan (delta) temperature yang keluar dari kedua pass selalu berharga nol.  Keluaran DTC10 di-cascaded ke flow control masing-masing pass melalui setpoint distribution (FY08A). Apabila pass 1 lebih tinggi dari pass 2 maka setpoint FC08 bertambah dan FC09 berkurang, begitu pula sebaliknya. FY08B merupakan logic untuk Auto/Manual/Cascade transfer termasuk perhitungan untuk bumpless dan ramp changes.  Ini diperlukan karena block FY08A tidak memiliki fitur untuk Auto/Manual/Cascade transfer.

H1 Fuel Heating Value Compensation.  Tujuan skema ERC ini adalah untuk mengkompensasi fuel gas heating value dengan SG fuel gas.  Perubahan fuel gas heating value perlu dikompensasi sehingga diperoleh kandungan panas fuel gas yang masuk lebih konstan.  Dalam skema ini, fuel gas flow dikompensasi terlebih dahulu sebelum digunakan untuk controller, dengan menggunakan persamaan berikut:   F = Fr * ((SG)^0.5 * Hv)/((SGd)^0.5 * HVd); dengan Fr adalah flow fuel gas sebelum kompensasi (FI13); SG adalah SG fuel gas (AI16), SGd adalah design SG fuel gas (konstanta), Hv adalah heating value fuel gas (Hv = 7.2326 * (155 + 1425 * SG)/SG) dan Hvd adalah design heating value fuel gas (Hvd = 7.2326 * (155 + 1425 * SG)/SG ; yang juga sebuah konstanta).  Hand Switch (HS13) digunakan agar operator dapat memilih apakah menggunakan ERC (fuel heating value compensation) atau BRC (tanpa kompensasi).

H1 Combustion Air Ratio Control.   Tujuan skema kontrol ini adalah untuk mengontrol combustion air ratio.  Ketika jenis fuel berubah, operator mengubah nilai ratio sehingga kontrol akan mengubah aliran udara (combustion air flow) secara otomatis.  Ratio juga dapat diubah secara otomatis dengan menghubungkan setpoint (remote setpoint) control ini ke master control, seperti excess O2 control.  Skema kontrol ini juga dilengkapi dengan combustion air temperature compensation (FY14).

 

Advanced Process Control.

Sama seperti sistem kontrol pada umumnya, APC menggunakan beberapa jenis variable, yaitu control variable (CV) merupakan variable yang akan dikontrol termasuk untuk constraint, manipulated variable (MV) merupakan variable yang akan dimanipulasi/diubah-ubah nilainya dalam rangka menjaga CV pada setpointnya atau pada rantangnya. Selain itu, ada disturbance variable (DV) yang merupakan variable yang menggambarkan gangguan yang dapat diukur (measurable disturbance).  Dalam algoritmanya, APC menggunakan model yang menggambarkan hubungan antara MV/DV dengan CV. Berdasarkan nilai CV/DV saat itu yang diperoleh dari ERC, BRC atau kalkulasi dan CV yang ingin dicapai (predictive), APC menghitung besarnya MV yang optimal dan mengirimkan ke ERC atau BRC.

Berikut adalah contoh MV dan CV untuk unit debutanizer (pada contoh ini tidak ada DV):

• MV01 : TC12.SPT – H1 COT Setpoint.
• MV02 : FC05.OUT – LPG Flow Control Valve Position.
• MV03 : PC01.SPT – Overhead Pressure Control Setpoint.
• MV04 : FC14.OUT – H1 Comb Air Control Valve Position.
• CV01 : CL25.Value – Calculation LPG C5 Content.
• CV02 : FC03.SPT – External Reflux Flow Control Setpoint.
• CV03 : FC13.OUT – H1 Fuel Gas Flow Control Valve Position.
• CV04 : AI21.PNT – H1 Flue Gas O2 Content.
• CV05 : TI20.PNT – H1 Stack Temperature.
• CV06 : PI22.PNT – H1 Stack Pressure.
• CV07 : TC02.MEAS – Top Tray Temperature.
• CV08 : CI27. VALUE – H1 Max Tube Skin Temperature.

Tabel berikut adalah model yang digunakan dalam APC. Model ini diperoleh dari hasil step test.

Akhirnya secara lengkap, sistem kontrol pada unit debutanizer adalah seperti pada gambar berikut.

Process Control Hierarchy

Implementasi sistem kontrol dalam industri proses dapat dikelompokan dalam beberapa tingkat/hierarchy. Pengelompokan tingkat atau hierarchy ini didasarkan pada berbagai pertimbangan, antara lainnya yang akan dibahas disini adalah pengelompokan berdasarkan fungsi dan/atau metode yang digunakan, seperti terlihat pada gambar berikut.

 

Tingkat paling bawah adalah Basic Regulatory Control (BRC), yang langsung berhubungan dengan process plant melalui field instruments seperti sensor/transmitter, analyzer dan control valve.   Umumnya BRC merupakan PID feedback control, beberapa diantaranya dilengkapi dengan konfigurasi cascade atau feedforward atau kalkulasi sederhana. BRC dijalankan di Distributed Control System (DCS) atau Fieldbus Control System (FCS) atau single loop controller (baik yang electronic maupun pneumatic).

Tingkat berikutnya  adalah Enhanced Regulatory Control (ERC) atau terkadang disebut dengan low level APC. Konfigurasi ini masih menggunakan PID feedback control sebagai mainnya dan dilengkapi dengan konfigurasi cascade atau feedforward atau kalkulasi yang lebih kompleks dibandingkan dengan BRC.  ERC menerima inputdanmemberikan output ke BRC atau langsung ke field instruments. ERC juka dijalankan di DCS atau FCS.  Terkadang BRC dan ERC sangat sulit untuk dibedakan, sehingga keduanya dianggap berada pada level yang sama dan disebut regulatory control.

Tingkat yang ketiga adalah Advanced Process Control (APC). APC menggunakan process model untuk menghitung sinyal control.  APC memberikan sinyal controlnya berupa target operasi sebagai setpoint untuk ERC dan/atau BRC, serta menerima process variable dan constraint dari ERC dan/atau BRC. Jika ada POC, maka APC akan menerima informasi mengenal target plant/unit dari POC dan memberikan informasi mengenai kondisi plant ke POC.  Salah satu jenis/teknologi APC yang paling banyak digunakan adalah Model Predictive Control (MPC).  Untuk mendukung operasi APC, terkadang diperlukan inferential calculation untuk menghitung/memprediksi nilai process variable  tertentu, misalnya product quality.  APC paling banyak dijalankan di Process Computer (PC workstation atau server), yang terpisah dari DCS/FCS, meskipun ada juga yang dijalankan di level DCS.

Tingkat keempat adalah Process Optimization Control (POC), merupakan online-realtime optimization. POC menggunakan non linear, steady state modeling (regiruous model) & optimization. Ia menerima target operasi dari perencanaan operasi (operation planning & schedulling) baik secara manual maupun secara otomatik, kemudian melakukan simulasi berdasarkan kondisi plant untuk mendapatkan target operasi yang paling optimum untuk masing-masing unit operasi.

Tingkat berikutnya adalah Macro LP, ini adalah aplikasi yang digunakan di tingkat perencanaan operasi (planning & schedulling) untuk mendapatkan target operasi jangka panjang (planning) maupun jangka pendek/harian (schedulling).

Memiliki semua aplikasi seperti yang ada dalam diagram hierarchy diatas adalah hal yang paling ideal.  Jarang sekali suatu plant memiliki semua aplikasi tersebut, umumnya hanya sebagian. Misalnya hanya memiliki BRC, ERC dan Macro LP; atau BRC, ERC dan APC.

SIS : (10) Design Consideration – Separation

Salah satu pertimbangan dalam perancangan SIS (SIS design consideration) adalah isu pemisahan antara SIS dan Sistem Kontrol (Basic Process Control Sistem atau disingkat BPCS).

Pemisahan antara SIS dan BPCS akan mengurangi kemungkinan kedua sstem tersebut rusak (unavailable) pada saat yang bersamaan. Selain itu, pemisahan ini juga bisa mencegah adanya pengaruh perubahan pada BPCS terhadap fungsi SIS. Oleh karena itu secara umum bisa dikatakan bahwa pemisahan antara BPCS dan SIS akan lebih baik dibandingkan dengan jika keduanya disatukan.

Ada dua jenis pemisahan, yaitu identical separation dan diverse separation.  Identical separation adalah pemisahan dengan menggunakan dua jenis sistem yang sama/identik, baik menyangkut teknologi, peralatan atau metode perancangan. Sedangkan diverse separation adalah pemisahan dengan menggunakan dua jenis sistem yang berbeda, baik menyangkut teknologi, peralatan atau metode perancangan.

Identical separation umumnya dapat diterima untuk SIL I. Diverse separation akan memberikan tambahan keuntungan yaitu mengurangi kemungkinan terjadinya systematic error dan mengurangi common cause failure (merupakan faktor yang sangat penting untuk SIL 3).

Terdapat 4 bagian/area dalam SIS-BPCS, dimana pemisahan diperlukan dalam rangka memenuhi persyaratan SIL, yaitu:

• Field sensor.
• Final control element.
• Logic solver.
• Communication (antara SIL dan BPCS).

1.  Pemisahan Sensor:

• SIL 1 : Penggunaan sensor tunggal untuk kedua sistem  SIS dan BPCS sudah memenuhi persyaratan.
• SIL 2 : Identical separation antara SIS dan BPCS sudah memenuhi persyaratan.
• SIL 3 : Identical separation sudah memenuhi persyaratan, tetapi lebih baik jika menggunakan diverse separation.

2.  Final Control Element.

• SIL 1 : Valve tunggal untuk SIS dan BPCS bisa digunakan asalkan unsafe failure rate-nya memenuhi persyaratan safety (safety integrity requirement). Selain itu, perancangannya harus menjamin bahwa aksi SIS harus bisa mengatasi (override) aksi BPCS.
• SIL 2 : Identical separation untuk SIS dan BPCS sudah memenuhi persyaratan.  Sedangkan penggunaan valve tunggal untuk SIS dan BPCS bisa diterima asalkan dilakukan sefety review terlebih dahulu untuk meyakinkan bahwa safety integrity-nya terpenuhi.
• SIL 3 : Identical seperation sudah memenuhi persyaratan, tetapi lebih baik jika menggunakan diverse separation.

3.  Logic Solver.

• SIL 1 : Identical separation atau diverse seperation.
• SIL 2 : Diverse separation, atau identical separation yang membutuhkan safety review terlebih dahulu untuk meyakinkan bahwa safety integrity-nya terpenuhi.
• SIL 3 : Diverse separation.

Untuk kasus khusus dimana tidak mungkin melakukan pemisahan antara SIS dan BPCS (seperti pada sistem kontrol untuk turbin gas), maka diperlukan tambahan pertimbangan berikut:

• Evaluasi terhadap kegagalan/failure dari komponen-komponen yang dipakai bersama (common) dan software, terutama menyangkut pengaruhnya terhadap kinerja SIS.
• Life cycle support (seperti perubahan, pemeliharaan, testing dan dokumentasi) terhadap keseluruhan sistem harus diberlakukan sebagai sebuah SIS.
• Adanya pembatasan akses ke program atau konfigurasi sistem.

4.  Communication.

• No external communication : Diterima untuk semua SIL.
• Hard-wired between BPCS and SIS : Dapat diterima untuk SIL 1 dan SIL 2. Sedangkan untuk SIL 3 diperlukan safety review untuk meyakinkan bahwa safety integrity-nya terpenuhi.
• Read only external communication from SIS to BPCS : Dapat digunakan untuk semual SIL asalkan safety review sudah dilakukan untuk menjamin bahwa tidak ada kompromi terhadap safety. Salah satunya adalah dengan mengukur tingkat proteksi (write protection), antara lain: 1) Hard-wired switch (atau jumper) untuk membatasi akses untuk menulis (write access). 2) Safety function dilakukan di SIS ROM.
• Read/write external communication with write protection of the safety function: Dapat digunakan untuk SIL 1 dan SIL 2 tetapi SIL 3 membutuhkan safety review.  Ukuran tingkat proteksi (write protection) adalah: 1) Pembatasan waktu akses untuk menulis (limited time for write access). 2) Software switch (seperti password) untuk membatasi akses untuk menulis.
• Read/write external communication with limited or no write protection of the safety function: Bisa digunakan untuk SIL 1. Untuk SIL 2 memerlukan safety review. Sedangkan SIL 3 tidak diperbolehkan.

Selamat Idul Fitri 1430 H

Selamat Hari Raya Idul Fitri 1430 H.

Maaf Lahir & Bathin.

 

 

 

.

0.0005 on 5-runs

Bagi yang sehari-hari berkecimpung dengan metering system, pasti tidak asing lagi dengan kata “0.0005 on 5-runs” ini. Dalam proses proving, ia mengandung pengertian dalam 5 kali proving, perbedaan terbesar antara kelima hasil proving tidak boleh lebih dari 0.0005.  Lalu dari mana datangnya angka ini? Mengapa bukan 0.0001 on 5-runs atau 0.05 on 5-runs atau lainnya?  Dalam API MPMS*4.8 App A, dinyatakan bahwa “For the common practice of five proving runs that agree within a range of 0.0005, ….”.  Jadi angka 0.0005 dalam 5 kali proving ini adalah untuk praktisnya, mungkin ini merupakan angka optimal dari pengalaman bertahun-tahun.

Selanjutnya mari kita hitung berapa sebenarnya error (uncertainty) dari 5 kali proving dengan perbedaan terbesar 0.0005 itu?  Karena pengukuran ini bersifat random, maka random error (random uncertainty) dapat dihitung dengan menggunakan rumus statistik berikut:

a = (t  x s)/n^0.5

a adalah random uncertainty, t adalah t-distribution, s adalah standard deviasi dan n adalah jumlah pengukuran. 

API MPMS*4.8 juga menjelaskan bahwa untuk keperluan komersial/custody, confidence level sebesar 95% adalah cukup memadai, sehingga t dalam persamaan diatas dapat ditulis sebagai t(95,n-1).  Sedangkan s dapat dihitung dengan rumus sederhana berikut : s = w(n)/D(n), dengan w(n) adalah rentang nilai (tertinggi – terendah) dan D(n) adalah faktor konversi yang nilainya bergantung pada jumlah pengukuran n, seperti pada tabel berikut:

Sehingga rumus perhitungan random uncertainty diatas dapat ditulis menjadi:

a = (t(95,n-1) x w(n))/(( n^0.5x D(n))

dengan nilai t seperti pada tabel berikut:

Untuk 5 kali proving dengan perbedaan hasil pengukuran terbesar 0.0005 diperoleh a = (2.776 x 0.0005)/( 5^0.5x 2.326) = 0.00027.

Dengan menjaga random error (random uncertainty) tetap pada nilai 0.00027, akan diperoleh perbedaan hasil pengukuran terbesar yang masih bisa diterima untuk jumlah proving dari 3 kali sampai 20 kali, adalah seperti pada tabel berikut:

Jadi apabila pada lima kali proving persyaratan 0.0005 tidak terpenuhi, maka masih bisa dilanjutkan dengan proving ke-6, ke-7 dstnya hingga persyaratan tersebut terpenuhi.

SIS : (9) SIS Conceptual Design

SIS Conceptual Design bertujuan menjelaskanlebih rinci apa yang menjadi persyaratan/kebutuhan seperti yang dijelaskan dalam SIS Requirement Specification.

SIS mungkin hanya terdiri dari sefety function tunggal atau safety function banyak yang dijalankan pada logic solver yang sama (common logic solver).  Apabila beberapa safety function menggunakan common logic solver, maka komponen logic solver yang melayani lebih dari satu safety function harus memenuhi persyaratan SIL yang paling tinggi., sedangkan komponen logic solver yang hanya menangani satu safety function, cukup memenuhi SIL sesuai persyaratan SIL untuk safety function yang dilayani tersebut.

Dalam SIS Conceptual Design, pertimbangan-pertimbangan dalam perancangan (design consideration) yang digunakan harus memenuhi SIL yang telah ditetapkan pada phase sebelumnya. Pertimbangan-pertimbangan tersebut antara lain:

• Separation.
• Redundancy.
• Software design consideration.
• Technology selection.
• Failure rates and failure modes.
• Architecture.
• Power sources.
• Common cause failures.
• Diagnostics.
• Field devices.
• User interface.
• Security.
• Wiring practices.
• Documentation.

Proving pada Ultrasonic Flow Meter

Aliran turbulen dalam pipa sangatlah kompleks. Ia terbentuk dari sejumlah pusaran serta aliran dengan arah yang tidak beraturan lainnya. Turbine meter dan meter jenis mekanikal lainnya dengan sifat kelembamannya dapat menggabungkan/mengintegrasikan aliran turbulen ini, sehingga perubahan yang terjadi pada sebagian aliran pusaran tidak akan mempengaruhi hasil pengukuran. Perubahan hasil pengukuran hanya dipengaruhi oleh perubahan kecepatan alir secara keseluruhan (global flow rate). Hal ini juga akan membuat hasing proving menjadi lebih baik. Kalaupun terjadi sebaran pada hasil proving, ini semata-mata disebabkan oleh perubahan aliran global atau sifat non-linear yang ada pada elemen mekanik meter yang terjadi selama berlangsungnya proving.

Beda dengan meter jenis mekanik seperti dijelaskan diatas, Ultrasonic flow meter (UFM) mengukur kecepatan alir dengan menggunakan pulsa suara yang dikirim melalui satu atau lebih jalur dalam penampang pipa. Dengan cara ini, perubahan yang terjadi pada komponen aliran di jalur tersebut akan terdeteksi sehingga berpengaruh pada hasil pengukuran.  Selain itu, jalur pulsa tidak akan merangkum seluruh area penampang pipa, sehingga jalur pulsa tersebut bisa dianggap sebagai cuplikan (sample) pengukuran untuk keseluruhan aliran (global flow).  Oleh karena itu, hasil proving terhadap UFM lebih menyebar dibandingkan dengan meter jenis mekanik. Akan tetapi karena data hasil pengukuran ini merupakan cuplikan yang bersifat random, maka ia akan terdistribusi di sekitar nilai rata-ratanya.

Konsekuensinya, hasil proving dengan repeatability 0.05% selama 5 kali proving akan lebih sulit diperoleh pada UFM dibandingkan dengan meter jenis mekanik.  Untuk mengatasi permasalahan ini, maka proving pada UFM dilakukan dengan menggunakan prover dengan volume yang lebih besar dan/atau dengan menambah pelaksanaan proving seperti pada tabel berikut.

 

Pengalaman/data di lapangan menunjukan bahwa dengan mengikuti arahan yang ada pada tabel ini, persyaratan repeatability hasil proving sesuai API MPMS Ch 4.8, Tabel A-1 untuk UFM bisa diperoleh.

Ultrasonic Flow Meter (UFM)

Ultrasonic flow meter (UFM) merupakan meter jenis inferensial (mengukur secara tidak langsung) yang menentukan kecepatan alir cairan (liquid flow rate) dengan mengukur waktu transit pulsa suara frekuensi tinggi (high-frequency sound pulses) yang melintasi pipa aliran.  Waktu transit adalah waktu yang diperlukan pulsa suara yang melintasi pipa dalam dua arah, yaitu searah dan berlawanan arah dengan arah aliran.   Perbedaan waktu antara keduanya tersebut sebanding dengan rata-rata kecepatan alir cairan.  Karena pengukuran aliran berdasarkan waktu transit, maka metode ini disebut juga dengan ultrasonic transit time flow meter.

Prinsip Kerja.  Ultrasonic transit time flow meter menggunakan transduser akustik (acustic transducer) yang dapat mengirim dan menerima pulsa akustik frekwensi tinggi.  Transduser akustik ditempatkan pada kedua sisi pipa sedemikian hingga pulsa akustik bergerak melintasi pipa dalam arah diagonal, seperti gambar berikut.

 

Metode transit time didasarkan pada pengukuran jangka waktu transmisi pulsa akustik yang melintasi pipa pada kedua arah yang berlawanan.  Sistem pengukurannya didasarkan pada kenyataan bahwa pulsa akustik yang melintasi pipa secara diagonal searah aliran cairan membutuhkan waktu lebih cepat dari pulsa akustik yang bergerak pada arah yang berlawanan dengan aliran.  Perbedaan waktu antara kedua pulsa akustik tersebut sebanding dengan kecepatan alir rata-rata sepanjang lintasan pulsa akustik.  Perhatikan gambar di atas, pulsa akustik yang melintasi pipa searah aliran membutuhkan waktu:

t_A>B =  L/(c + V Cos q)

Sedangkan pulsa akustik yang melintasi pipa pada arah berlawanan dengan arah aliran membutuhkan waktu:

T_B>A =  L/(c – V Cos q)

Dengan, L adalah panjang lintasan pulsa akustik, c adalah kecepatan suara dalam cairan,  q adalah sudut antara lintasan pulsa dan sumbu pipa dan V adalah kecepatan alir rata-rata cairan dalam pipa.

Dari kedua persamaan di atas, diperoleh kecepatan alir rata-rata cairan menjadi:

V = (L/2cosq) x (T_B>A – T_A>B )/( T_B>A x T_A>B)

UFM dengan jumlah transduser banyak (multi transducer) dapat digunakan untuk mendapatkan jumlah lintasan yang banyak sehingga diperoleh lebih banyak informasi mengenai distribusi kecepatan alir cairan pada pipa (flow profile) yang pada akhirnya dapat meningkatkan akurasi alat ukur ini.

Gambar berikut menunjukan komponen utama UFM.

 

Tipikal urutan operasi UFM adalah sbb:

• Emission : Signal Processing Unit (SPU) mengirim sinyal elektronik ke transduser, sehingga transduser menghasilkan pula akustik yang merambat dalam cairan.
• Reception: Pulsa akustik menyeberangi pipa dan menyentuh transduser lainnya yang ada di seberang, sehingga transduser tersebut bergetar dan menghasilkan sinyal elektronik.
• Conversion: Rangkaian penerima dalam SPU menerima sinyal elektronik dari transduser penerima untuk diproses lebih lanjut.
• Signal treatment: Berdasarkan algoritma pabrik, SPU melakukan perhitungan untuk mendapatkan T_B>A dan  T_A>B . 
• Transit time methode: SPU menggunakan perbedaan antara T_B>A dan  T_A>B  untuk menghitung kecepatan alir cairan rata-rata sepanjang lintasan pulsa.
• Volumetric flow rate calculation : Bergantung pada jumlah path, bentuk geometrisnya serta algoritma pabrik, SPU menggunakan nilai kecepatan alir rata-rata yang diperoleh pada tahap sebelumnya untuk menghitung volumetric flow rate.
• Output refresh: SPU mengulangi langkah-langkah pengukuran tersebut diatas sesuai waktu refresh-nya.

Partike padat, gelembung udara dan kandungan air bisa mengganggu perambatan pulsa akustik dalam cairan. Gangguan tersebut umumnya berupa refraction, reflection, attenuation dan distortion.  Sistem  dilengkapi dengan algoritma dari pabrik untuk memonitor gangguan ini dan akan membatalkan hasil pengukuran jika terjadi gangguan.

Standard UFM untuk Castody.  Penggunaan UFM untuk costudy transfer diatur dalam API Standard MPMS Chapter 5. Sec 8.  Standard ini menjelaskan kriteria dan persyaratan yang diperlukan pada UFM agar bisa digunakan sebagai alat ukur hidrokarbon cair untuk custody transfer, yang meliputi aspek perancangan, instalasi, operasi dan pemeliharaan. Gambar berikut adalah konfigurasi tipikal UFM untuk custody transfer sesuai standard tersebut.

Contoh UFM untuk Custody.  Salah satu contoh UFM untuk custody transfer adalah M-Pulse dari Thermo Scientific, dengan spesifikasi sbb:

• Accuracy +/-0.10%  for 10:1 measurement range or +/-0.02% for 20:1 measurement range. 
• Repeatability +/- 0.02% of measurement. 
• Range : 0.7 – 40 ft/sec bi-directional.
• Fluid viscosity : 0.2 – 220 cSt.
• Operating temperature : -40 to +85 C.
• Fluid temperature : -40 to +120 C.
• Number of Path : 4.
• Meter size : 4 to 24 inch.
• Material SS316L or CS A532 LCC.
• Flange Sizes : 150, 300, 600, 900 or higher.
• Safety spec: NEMA 4x/IP65, Class I Div 1 or Zone 0 for transducer & Class I Div 2 or Zone 2 for Electronic in Enclosure.

Process Equipment Control : (8) Distillation Control – Pump Around Reflux Control

Selain binary distillation yang hanya menghasilkan dua jenis produk (produk atas dan produk bawah) seperti yang dijelaskan pada tulisan serie sebelumnya, banyak juga  jenis kolom distilasi yang menghasilkan banyak/lebih dari dua produk (multi produk).  Contoh kolom distilasi dengan multi produk adalah crude tower, vacuum tower dan fluid catalytic cracking unit (FCCU).

Pada kolom distilasi dengan multi produk, produk lainnya akan dikeluarkan dari bagian samping kolom (side stream).  Untuk menjaga spesifikasi produk samping, kolom distilasi juga dilengkapi dengan sistem kontrol produk samping. Salah satu contohnya adalah pump around flow control, seperti gambar berikut.

Pada konfigurasi ini, pump around dikontrol dengan menggunakan flow controller (FC₁).  Sedangkan side stream product dikontrol dengan menggunakan flow controller (FC₂), yang terkadang di-cascaded dari column level controller atau analyzer controller.

Sebenarnya kegunaan dari pump around adalah menjaga kesetimbangan panas dalam kolom, dengan jalan mengambil/menghilangkan sebagian panas dari kolom.  Oleh karenanya,  pada kondisi tertentu akan lebih baik jika pump around dikontrol dengan menggunakan duty control, seperti gambar berikut.

Apabila kolom distilasi dilengkapi dengan side stripper, maka konfigurasi kontrol untuk produk seperti terlihat pada gambar berikut, dimana side stream ditarik dari kolom menuju stripper dibawah kendali flow control (FC₂) yang di-cascaded dari level control stripper (LC) atau bisa juga LC langsung menggerakan control valve tanpa melalui FC₂.