Rahasia di Balik Standar Tekanan 3–15 psi pada Pneumatic Transmitter

Pendahuluan

Dalam industri proses seperti minyak dan gas, petrokimia, pembangkit listrik, serta pengolahan air, pengendalian proses yang stabil dan aman adalah kunci keberhasilan operasi. Salah satu perangkat penting yang berperan dalam hal ini adalah transmitter — instrumen yang mengubah sinyal dari sensor menjadi sinyal standar yang dapat diterima oleh indicator, recorder, dan controller. Selama puluhan tahun, transmitter telah menjadi tulang punggung sistem instrumentasi karena keandalannya di lingkungan ekstrem, ketahanannya terhadap gangguan listrik, dan kemampuannya menjaga kestabilan operasi di area berisiko tinggi (hazardous area).

Secara umum, transmitter terbagi menjadi dua jenis, yaitu Pneumatic Transmitter dan Electronic Transmitter. Tulisan ini secara khusus membahas Pneumatic Transmitter — instrumen klasik yang bekerja dengan sistem tekanan udara dan masih menjadi pilihan andal hingga kini karena kesederhanaan mekanis serta kemampuannya menjaga keselamatan dan efisiensi proses industri.

Standar 3–15 psig

Rahasia di balik kesuksesan pneumatic transmitter tidak lepas dari satu angka legendaris dalam dunia instrumentasi: 3–15 psi. Standar ini pertama kali diperkenalkan pada awal tahun 1930-an oleh Foxboro Company, Amerika Serikat — salah satu pionir dalam pengembangan sistem kontrol industri. Sebelum adanya sistem elektronik, proses industri mengandalkan sinyal tekanan udara untuk mentransmisikan informasi dari transmitter ke controller atau control valve.

Foxboro menetapkan rentang 3–15 psi karena alasan teknis dan keselamatan: Titik awal 3 psig digunakan untuk menghindari nol absolut; sehingga setiap kebocoran udara dapat langsung terdeteksi. Titik atas 15 psig dipilih agar sinyal masih berada dalam batas aman bagi peralatan dan operator, namun cukup kuat untuk menggerakkan aktuator pneumatik. Rentang span 12 psig (15 – 3 = 12) mudah dikalibrasi dalam skala linear — mempermudah interpretasi sinyal seperti 25%, 50%, dan 75% dari nilai proses.

Sistem suplai udara industri saat itu rata-rata memiliki tekanan 20–25 psi, sehingga 15 psi menjadi nilai yang efisien dan aman. Kesuksesan sistem ini membuat Foxboro menjadi pelopor penggunaan standar 3–15 psi, yang kemudian diadopsi secara luas oleh perusahaan lain seperti Bailey Controls, Taylor Instruments, Honeywell, dan Fisher Controls. Hingga kini, meskipun sistem elektronik 4–20 mA telah menjadi arus utama, konsep 3–15 psi tetap hidup sebagai dasar dari semua sinyal kontrol industri.

Prinsip Kerja

Prinsip kerja dari pneumatic transmitter pada dasarnya merujuk pada mekanisme keseimbangan gaya (force balance) atau gerakan terbatas (motion balance) yang berperan dalam perubahan variabel proses menjadi sinyal keluaran berupa tekanan udara standar. Mekanisme kerja dari alat ini adalah sistem flapper nozzle yang bekerja sama dengan pilot relay dan sistem umpan balik (feedback). Cara kerja ini akan terlihat ketika tekanan input pada meter body naik, maka pada batang torsi (torque rod) akan terjadi kenaikan torsi. Primary beam yang dihubungkan langsung ke batang torsi mengakibatkan baffle (flapper) menutup nozzle. Pada nozzle terjadi tekanan balik, tekanan balik dari nozzle ini diperkuat oleh amplifier (pilot relay) dan relay output akan mengirimkan sinyal yang telah diperkuat ke receiver (receiver bellows) ataupun instrument lainnya berupa optional external devices. Dalam waktu yang sama, tekanan balik ini juga masuk ke feedback capsule. Kenaikan tekanan output dalam feedback capsule memberikan gaya feedback ke secondary beam, dan melalui span rider, gaya tersebut menekan primary beam untuk menggerakkan baffle menjauhi nozzle. Dalam umpan balik loop tertutup akan terjadi gaya perlawanan untuk menghambat / melawan gaya akibat tekanan balik dari nozzle. Pada akhirnya tekanan sinyal output akan sebanding dengan nilai proses variabel yang diukur.

Pneumatic Transmitter berfungsi mengubah variabel proses seperti tekanan (pressure), aliran (flow), atau ketinggian cairan (liquid level) menjadi sinyal udara bertekanan dalam rentang 3–15 psig. Sinyal ini kemudian diteruskan ke controller, recorder, atau final control element (seperti valve actuator) untuk mengatur proses secara otomatis.

Istilah teknis:

• psi = pounds per square inch (satuan tekanan)

• psig = psi gauge (tekanan relatif terhadap atmosfer)

• LRV (Lower Range Value) = nilai dasar skala sinyal (contoh 3 psi)

• URV (Upper Range Value) = nilai atas skala sinyal (contoh 15 psi) penggunaan 3 – 15 psi sebagai sinyal standar memudahkan integrasi dan kalibrasi instrumen.

Jenis-Jenis Pneumatic Transmitter

1. Differential Pressure Type Flow Transmitter

Differential pressure type flow transmitter merupakan instrument yang berperan dalam mengukur perbedaan tekanan laju fluida pada dua titik dalam satu pipa atau sistem aliran di sekitar elemen primer pembatas aliran seperti orifice plate (pelat orifice). Penghitungan tekanan diferensial ini berdasarkan prinsip Bernoulli yakni ketika fluida mengalir melalui penyempitan atau elemen pembatas (seperti pelat orifice) kecepatan meningkat yang menyebabkan tekanan statis menurun sehingga selisih tekanan tersebut dikaitkan dengan laju aliran yakni berbanding lurus dengan kuadrat laju aliran yang kemudian dideteksi oleh diafragma pemancar dan diubah menjadi sinyal pneumatic. Perubahan sinyal ini dilakukan melalui sistem flapper nozzle dan bellows.

Kelebihan

• Versatilitas tinggi dimana metode ini dapat digunakan untuk cairan, gas, uap apabila elemen primer dan konfigurasi impulse line sesuai.

• Potensi keausan lebih rendah disbanding dengan meter mekanik karena tidak banyak bagian yang bergerak dalam transmitter itu sendiri (elemen primer dapat bersifat pasif)

• Banyaknya pedoman dan pengalaman industri karena prinsip pengukuran aliran berdasarkan prinsip Bernoulli yang sudah teruji sangat lama

Kelemahan

• Dapat memberikan kerugian atau mempengaruhi proses Ketika kehilangan tekanan (pressure drop) pada elemen primer seperti orifice plate

• Akurasi menurun apabila kondisi aliran tidak ideal seperti turbulensi, perubahan densitas, dan fase ganda. Salah satu contohnya yaitu perangkat bisa memiliki deviasi besar dalam kondisi transien atau saat adanya gelembung gas.

• Perlunya perhatian teknis yang cukup pada instalansi impulse lines, perbedaan densitas, dan pemilihan elemen primer karena jika salah dalam perhatian teknis dan pengambilan tindakan pada proses instalasi maka hasil pengukuran akan meleset.

Contoh Differential Pressure Type Flow Transmitter yang banyak digunakan di industri antara lain:

• Rosemount 3051S DP Flow Transmitter,

• Yokogawa EJA210E Differential Pressure Transmitter,

• ABB 266MST Differential Pressure Transmitter,

• KROHNE OPTIBAR DP 7060,

• Honeywell ST3000 Series Smart Pressure Transmitter,

• WIKA Model A-10 Differential Pressure Transmitter,

• MicroSensor MDM7000 Differential Pressure Transmitter,

• SOR 1800 Series Differential Pressure Transmitter,

• Siemens SITRANS P DS III Differential Pressure Transmitter, dan

• Fuji Electric FKC Pressure Transmitter.

2. Pressure Transmitter

Pressure Transmitter merupakan transmitter yang berperan dalam mengukur tekanan fluida relatif terhadap tekanan di atas atau di bawah atmosfer (atmospheric pressure). Tekanan atmosfer digunakan sebagai nol referensi dalam perbandingan tekanan. Biasanya digunakan untuk mengukur tekanan dalam pipa, tangki ataupun sistem yang terbuka ke atmosfer. Jenis ini menggunakan elemen pengindera tekanan seperti bellows, pegas tabung bourdon (bourdon tube) atau diafragma untuk mendeteksi perubahan tekanan proses. Perubahan fisik pada elemen pengindera ini diterjemahkan menjadi gerakan mekanis yang memodulasi aliran udara melalui sistem flapper nozzle untuk menghasilkan sinyal keluaran pneumatic yang sebanding dengan tekanan yang diukur.

Kelebihan

• Instalasi dan Interpretasi relatif langsung karena konsep cukup sederhana dimana mengukur tekanan terhadap atmosfer sebagai referensi

• Banyak model yang tersedia, pilihan teknologi sensor seperti strain gauge, kapasitif, piezoresistive dan output standar (4-20mA) sudah mapan.

• Penggunaan sangat luas karena dapat digunakan untuk banyak aplikasi umum seperti sistem pipa, tangka, kontol tekanan

Kelemahan

• Aplikasi aliran atau level memerlukan konversi atau inferensi tambahan karena hanya mengukur tekanan terhadap atmosfer dan tidak secara langsung mengukur variabel lain seperti laju aliran atau tinggi kolom cairan.

• Akurasi dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti temperatur, getaran, kondisi lingkungan, garis impuls (pipa penghubung) dan pemeliharaan. Sebagai contoh, drift kalibrasi dapar terjadi karena berbagai factor lingkungan

• Kesalahan bisa signifikan apabila digunakan untuk level cairan dengan head pressure yang sangat kecil atau densitas cairan variabel.

Contoh Pressure Transmitter yang umum digunakan dalam berbagai aplikasi industri antara lain:

• Rosemount 3051S Coplanar Pressure Transmitter,

• Yokogawa EJA530E Gauge Pressure Transmitter,

• ABB 266HSH High Pressure Transmitter,

• Endress+Hauser Deltabar PMD75,

• WIKA A-10 Pressure Transmitter,

• Honeywell ST700 SmartLine Pressure Transmitter,

• Trafag NAH 8254 Pressure Transmitter,

• Setra Systems Model 209 Pressure Transmitter,

• Gems Sensors 3100 Series Pressure Transmitter, dan

• Danfoss MBS 3000 Pressure Transmitter.

Kesimpulan

Standar tekanan 3–15 psig yang diperkenalkan oleh Foxboro Company sejak 1930-an tetap menjadi fondasi utama sistem kontrol pneumatic hingga kini. Pneumatic transmitter seperti Rosemount 3051S, Yokogawa EJA530E, dan Endress+Hauser Levelflex FMP52 terbukti andal dalam mengubah variabel proses menjadi sinyal udara yang stabil dan aman. Pneumatic transmitter menjadi komponen yang handal dan vital dalam banyak instalasi industri, terutama di mana keselamatan intrinsik (intrinsic safety) adalah prioritas utama. Meskipun pemancar elektronik menawarkan kecepatan dan akurasi yang lebih tinggi, kesederhanaan mekanis (mechanical simplicity) dan ketahanan lingkungan (environmental resistance) pemancar pneumatic menjadikannya investasi yang strategis dan bijaksana untuk aplikasi tertentu. Memahami prinsip kerja dan keterbatasan setiap jenis pemancar memungkinkan pengguna untuk memilih instrumen yang paling sesuai, memastikan efisiensi dan keamanan operasional yang optimal.

3. Liquid Level Transmitter

Liquid level transmitter bekerja berdasarkan prinsip tekanan terukur (gauge pressure) yang biasanya mengukur tekanan hydrostatic kolom cairan dalam tangki terbuka dengan cara mengukur tekanan yang dihasilkan oleh kolom cairan (head pressure) terhadap referensi atmosfer atau titik referensi lain. Karena tangki terbuka berhubungan dengan atmosfer, pengukuran ini secara inheren adalah tekanan terukur dan sinyal keluaran pneumatic akan berbanding lurus dengan ketinggian cairan dalam tangki.

Kelebihan

• Metode pengukuran yang relatif murah dan mudah jika kondisi proses memungkinkan (kolom cairan terbuka ke atmosfer atau diketahui densitasnya)

• Integrasi langsung dengan sistem kontrol tekanan bisa lebih sederhana karena menggunakan transmitter tekanan yang juga banyak jenisnya

• Cocok untuk tangka dengan geometri cukup sederhana dan cairan dengan densitas diketahui

Kelemahan

• Konversi dari tekanan ke ketinggian level bisa salah besar jika cairan memiliki densitas yang berubah (misalnya cairan dengan uap, campuran gas-cair).

• Pengaruh gelembung gas, pemasangan di Lokasi yang salah (misalnya di atas level cairan atau dengan udara di impulse line) dapat menyebabkan pembacaan yang tidak akurat

• Referensi tekanan menjadi lebih kompleks dan perlu penyesuaian khusus (leg basah/kering, capillary, referensi gas) agar akurasi tetap terjaga jika tangki tertutup.

Contoh Liquid Level Transmitter yang banyak digunakan di industri meliputi:

• Endress+Hauser Levelflex FMP52 Guided Wave Radar,

• Rosemount 3051S Submersible Level Transmitter,

• ABB 266LDP Hydrostatic Level Transmitter,

• Siemens SITRANS LR560 Radar Level Transmitter,

• Vega VEGAPULS 64 Radar Level Transmitter,

• Flowline DeltaSpan LD31 Submersible Level Transmitter,

• WIKA LS-10 Hydrostatic Level Transmitter,

• KROHNE OPTIFLEX 1300C Level Transmitter,

• Yokogawa EJX210A Diaphragm Seal Level Transmitter, dan

• SOR Continuous Level Transmitter Series 815PT.

Baca Juga

• Sensor dan Transmitter dalam Dunia Instrumentasi : Peran, Prinsip Kerja, dan Aplikasi di Berbagai Industri

• Instrumentasi : Sistem Kontrol, Transmisi Data, dan Sinyal Instrumen

• Menyingkap Rahasia Pengukuran Suhu: Dari Termometer hingga Pyrometer

• Pengukuran Tekanan (Pressure Measurement) : Pengertian, Prinsip Kerja, dan Alat Ukur

• Mengenal Beragam Metode Pengukuran Level Fluida untuk Industri Modern

• Memahami Prinsip dan Teknologi Pengukuran Aliran Fluida (Flow Measurements)

• Converter Dalam Instrumentasi Industri : Peran, Jenis, Aplikasi dan Tantantangan