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

Pengukuran tekanan adalah salah satu aspek penting dalam berbagai industri, termasuk minyak, gas, kimia, dan manufaktur. Tekanan yang tepat sangat penting untuk memastikan keselamatan, efisiensi, dan kualitas produk. Dalam banyak proses industri, tekanan dapat mempengaruhi reaksi kimia, aliran fluida, dan bahkan integritas struktural peralatan. Misalnya, dalam industri minyak dan gas, pengukuran tekanan yang akurat dapat mencegah ledakan dan kebocoran, yang dapat menyebabkan kerugian besar baik dari segi finansial maupun keselamatan. Oleh karena itu, pemahaman yang mendalam tentang pengukuran tekanan sangat penting.

1. Pengertian Tekanan

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas yang diterapkan pada permukaan. Dalam sistem internasional (SI), tekanan diukur dalam pascal (Pa), yang setara dengan satu newton per meter persegi (N/m²). Tekanan juga dapat dinyatakan dalam berbagai satuan lain, tergantung pada konteks dan industri, seperti atmosfer (atm), bar, dan psi (pound per square inch).

Beberapa satuan tekanan yang umum digunakan dalam industri meliputi:

• Pascal (Pa): Satuan dasar dalam SI.

• Bar: 1 bar = 100,000 Pa.

• Atmosfer (atm): 1 atm = 101,325 Pa.

• Pound per square inch (psi): 1 psi = 6894.76 Pa.

• Torr: 1 Torr = 133.322 Pa.

2. Terminologi Pengukuran Tekanan

Dalam industri minyak dan gas, pengukuran tekanan dilakukan untuk memantau tekanan dalam pipa dan sumur untuk mencegah kebocoran. Di industri kimia, tekanan dalam reaktor harus diukur untuk memastikan reaksi berlangsung dengan aman dan efisien. Dalam manufaktur, tekanan sering diukur dalam proses pengemasan dan pengolahan untuk memastikan kualitas produk akhir.

Alat ukur tekanan dikenal dengan sebutan manometer. Terdapat berbagai jenis manometer yang digunakan untuk mengukur tekanan, masing-masing dengan prinsip kerja dan aplikasi yang berbeda.

Terdapat empat terminologi dalam pengukuran tekanan antara lain:

• Tekanan Absolut (Absolute Pressure)

  Gaya yang bekerja pada setiap satuan luas permukaan, yang diukur dengan acuan tekanan nol.

• Tekanan Relatif (Gauge Pressure)

  Tekanan relatif adalah tekanan yang diukur dengan acuan tekanan atmosfer. Artinya, tekanan relatif merupakan selisih antara tekanan absolut dan tekanan atmosfer (1 atmosfer = 760 mmHg = 14,7 psig).

• Tekanan Hampa (Vacum Pressure)

  Tekanan yang nilainya lebih kecil dibandingkan dengan tekanan atmosfer disebut tekanan hampa. Alat seperti vacuum cleaner bekerja dengan menciptakan tekanan lebih rendah untuk menarik debu dan partikel.

• Tekanan Differential (Differential Pressure)

  Tekanan yang diukur dengan membandingkannya terhadap tekanan lain. Artinya, tekanan ini adalah selisih antara dua titik pengukuran tekanan dalam sebuah sistem.

3. Alat Ukur Tekanan dan Prinsip Kerja

Jenis-jenis pengukuran tekanan yang umum digunakan dalam industri proses meliputi manometer kolom cairan (U-tube), Bourdon Tube, Diaphragm Pressure Gage, Belows, dan McLeod Gages.

3.1 Manometer Kolom Cairan (U tube)

Tabung U (U-tube) adalah alat ukur tekanan yang sederhana namun efektif, sering digunakan dalam pengukuran tekanan gas, terutama untuk aplikasi di industri proses. Prinsip kerjanya didasarkan pada keseimbangan cairan dalam tabung berbentuk huruf "U" yang berisi cairan, seperti air atau air raksa. Salah satu ujung tabung dihubungkan dengan sistem yang tekanan gasnya ingin diukur, sementara ujung lainnya dihubungkan dengan sumber tekanan referensi, yang umumnya adalah tekanan atmosfer.

Tabung U ini memanfaatkan perbedaan ketinggian kolom cairan antara kedua sisi untuk mengukur tekanan. Ketika gas yang tekanannya akan diukur diterapkan pada satu sisi tabung, kolom cairan pada sisi yang terhubung dengan gas tersebut akan bergerak, menciptakan perbedaan tinggi cairan dibandingkan sisi lainnya yang terhubung dengan tekanan atmosfer. Dengan mengukur perbedaan ketinggian cairan (Δh) dan mengetahui massa jenis cairan yang digunakan, tekanan gas dapat dihitung menggunakan prinsip dasar keseimbangan cairan (statika fluida).

Jika cairan yang digunakan adalah air raksa, yang memiliki kepadatan jauh lebih besar dibandingkan udara atau gas yang diukur, maka perubahan ketinggian cairan akan langsung berkaitan dengan tekanan yang diterima gas tersebut.

Tabung U ini memberikan cara yang sangat akurat untuk mengukur tekanan, terutama untuk tekanan relatif terhadap atmosfer, meskipun kurang praktis untuk pengukuran tekanan absolut atau sangat tinggi karena keterbatasan ukuran dan jenis cairan yang digunakan.

Meskipun alat ini sederhana, akurasi pengukurannya tergantung pada kestabilan cairan dan ketelitian dalam mengukur perbedaan tinggi cairan. Selain itu, penggunaan air raksa sebagai cairan pengukur memiliki kelebihan karena densitasnya yang tinggi, sehingga perubahan yang kecil dalam tekanan dapat menghasilkan perbedaan ketinggian cairan yang cukup signifikan untuk dibaca dengan mudah.

Tabung U adalah manometer yang umum digunakan untuk mengukur tekanan gauge, tekanan ruang hampa, dan perbedaan tekanan, baik di lingkungan industri maupun laboratorium yang membutuhkan akurasi tinggi. Alat ini tersedia dalam dua pilihan pemasangan, yaitu dipasang di dinding (wall mounted) atau dengan penyangga (stand mounted), dan memiliki rentang pengukuran antara 0 hingga 3000 mm WC/HG.

Tabung U memiliki beberapa kelebihan yang menjadikannya pilihan yang baik untuk pengukuran tekanan. Pertama, biaya pengadaan awal alat ini tergolong rendah, sehingga sangat ekonomis. Selain itu, desainnya yang sederhana membuatnya sangat handal dan mudah digunakan, dengan tingkat akurasi dan sensitivitas yang tinggi. Tabung U juga cocok digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan pengukuran tekanan rendah dan perbedaan tekanan kecil.

Namun, alat ini juga memiliki beberapa kekurangan. Salah satunya adalah rendahnya tingkat respons dinamisnya, yang membatasi kemampuannya dalam mengukur perubahan tekanan yang cepat. Tabung U juga tidak dapat digunakan di lingkungan tanpa bobot, seperti di luar angkasa. Selain itu, alat ini tidak memiliki perlindungan terhadap pengukuran melebihi rentang yang ditentukan. Cairan dalam tabung U juga harus bersifat kompatibel dan tidak bercampur dengan cairan atau gas yang diukur. Terakhir, pada pengukuran tekanan rendah, ada kemungkinan kontaminasi antara air raksa dan uap air, yang dapat mempengaruhi hasil pengukuran.

3.2 Bourdon Tube

Bourdon Tube adalah alat ukur tekanan yang tidak menggunakan cairan dan sering digunakan dalam industri untuk mengukur tekanan statis di berbagai aplikasi. Tabung bourdon memiliki bentuk yang berbeda, seperti C-type, helikal, dan spiral, dan dihubungkan secara mekanis dengan jarum penunjuk. Cara kerjanya adalah tekanan dimasukkan ke dalam tabung, dan perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar tabung akan menyebabkan tabung berubah bentuk. Perubahan bentuk ini mengarah pada perubahan panjang tabung, yang kemudian menggerakkan jarum penunjuk pada skala untuk menunjukkan nilai tekanan. Meskipun analisis teoritis mengenai perubahan bentuk tabung bourdon jarang dilakukan, data eksperimen digunakan untuk menghitung perubahan bentuk tersebut. Tiga tipe tabung bourdon yang umum digunakan adalah C-type, spiral, dan helical, yang masing-masing dipilih berdasarkan rentang tekanan yang ingin diukur.

Bourdon Tube memiliki beberapa kelebihan yang menjadikannya alat ukur tekanan yang populer. Salah satunya adalah biaya pengadaan awal yang relatif rendah, serta konstruksinya yang sederhana. Alat ini juga mudah untuk dikalibrasi, misalnya dengan menggunakan barometer merkuri. Selain itu, tersedia berbagai rentang pengukuran, termasuk yang sangat tinggi, sehingga dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan.

Namun, alat ini juga memiliki beberapa kekurangan. Bourdon Tube sangat sensitif terhadap goncangan dan getaran, yang dapat memengaruhi keakuratan pengukurannya. Selain itu, alat ini cenderung mengalami histeresis, yang berarti ada perbedaan antara pembacaan tekanan saat meningkat dan menurun. Akurasi pengukuran Bourdon Tube juga tergolong sedang, sehingga tidak selalu cukup tepat untuk aplikasi yang membutuhkan tingkat ketelitian yang sangat tinggi.

3.3 Diaphragm Pressure Gage

Diaphragm Pressure Gage bekerja berdasarkan prinsip perubahan bentuk elastis dari sebuah diaphragm (membran) untuk mengukur perbedaan antara tekanan yang tidak diketahui dan tekanan acuan. Alat ini terdiri dari kapsul yang dibagi oleh sekat rongga (diaphragm). Satu sisi diaphragm terhubung dengan tekanan yang ingin diukur (tekanan eksternal), sementara sisi lainnya terhubung dengan tekanan yang sudah diketahui (tekanan acuan). Perbedaan antara tekanan eksternal dan tekanan acuan menyebabkan diaphragm bergerak secara mekanis.

Diaphragm Pressure Gage memiliki beberapa kelebihan, seperti biaya pengadaan awal yang tergolong sedang dan karakteristik "overrange" yang tinggi. Alat ini juga memiliki linearitas dan akurasi yang baik, serta dapat digunakan untuk mengukur tekanan absolut, relatif (gage), maupun perbedaan tekanan. Selain itu, tersedia dalam berbagai bahan yang tahan terhadap korosi, membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi. Namun, alat ini juga memiliki kekurangan, antara lain sangat sensitif terhadap getaran dan kejutan yang dapat memengaruhi kinerjanya. Selain itu, jika terjadi kerusakan, perbaikan alat ini bisa sangat sulit.

3.4 Bellows Elements

Pengukuran tekanan dengan bellows banyak digunakan di industri proses karena kemudahan penanganannya. Elemen bellows terbuat dari bahan elastis yang fleksibel pada arah aksial, seperti kuningan, fosfor-perunggu, stainless steel, dan bahan logam lainnya. Dengan elemen ini, dapat diperoleh hubungan linier antara tekanan dan simpangan (perubahan volume). Bellows digunakan untuk mengukur tekanan absolut, relatif (gage), dan diferensial.

Sebagian besar elemen bellows digunakan untuk pengukuran tekanan rendah (baik absolut maupun relatif) dan tekanan diferensial, dengan rentang pengukuran dari tekanan vakum hingga 0 – 400 psig. Biasanya, alat ini digunakan dalam rentang 1 inci H2O hingga 30 atau 40 psig, meskipun unit ini tersedia dalam rentang 0 – 2.000 psig. Penggunaan utama bellows adalah sebagai elemen penerima pada perekam pneumatik, indikator, dan pengendali. Bellows juga sering digunakan untuk pengukuran tekanan diferensial dalam aplikasi aliran (flow), serta untuk perekam dan pengendali pneumatik yang dipasang di lapangan. Ketelitian elemen bellows sekitar ± ½ %.

Bellows memiliki beberapa kelebihan yang membuatnya menjadi pilihan populer dalam pengukuran tekanan, terutama untuk tekanan rendah hingga menengah. Biaya pengadaannya relatif rendah, dan konstruksinya yang kuat serta sederhana membuatnya mudah digunakan. Alat ini juga sangat fleksibel, dapat digunakan untuk mengukur berbagai jenis tekanan, baik itu tekanan absolut, relatif (gage), maupun tekanan diferensial. Hal ini menjadikannya sangat berguna dalam aplikasi yang beragam, terutama untuk pengukuran yang memerlukan ketelitian cukup tinggi.

Namun, alat ini juga memiliki beberapa kekurangan. Bellows memerlukan kompensasi suhu untuk memastikan akurasi pengukuran, dan tidak cocok untuk mengukur tekanan tinggi. Selain itu, bellows dapat menunjukkan sifat histeresis dan drift yang cukup besar, yang dapat mempengaruhi akurasi dalam jangka panjang. Pengukuran tekanan dinamis juga tidak ideal menggunakan elemen bellows, karena alat ini lebih cocok untuk aplikasi yang melibatkan tekanan statis.

3.5 McLeod Gages

McLeod Gage adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan rendah, khususnya pada tekanan vakum di bawah 10^-4 torr (sekitar 1.33 × 10^-2 Pa atau 1.93 × 10^-6 psi). Alat ini bekerja berdasarkan prinsip tinggi kolom cairan, dan sering digunakan untuk mengkalibrasi alat ukur tekanan vakum lainnya. McLeod Gage memiliki dua bagian utama, yaitu dua kaki, dengan salah satu kaki dilengkapi dengan volume yang jauh lebih besar dibandingkan dengan pipa penghubung. Pada ujung pipa di kaki tersebut tertutup rapat. Alat ini juga dilengkapi dengan piston (torak) yang berfungsi untuk mengatur tinggi cairan di dalam pipa.

Saat pengukuran dilakukan, pertama-tama piston ditarik agar cairan berada di bawah lubang yang menghubungkan kedua pipa. Tekanan vakum yang akan diukur kemudian disalurkan ke pipa lainnya, mengisi seluruh pipa. Setelah itu, piston ditekan, sehingga cairan mengisi kedua pipa dan tekanan vakum yang terperangkap di kaki pertama akan terkompresi ke dalam pipa yang tertutup. Seiring piston ditekan lebih lanjut, cairan akan naik di pipa kedua hingga mencapai skala nol, yang menunjukkan bahwa tekanan vakum pada kaki pertama lebih tinggi karena terkompresi. Proses ini mengikuti Hukum Boyle, yang menyatakan bahwa dalam sistem tertutup yang temperaturnya tetap, produk dari tekanan dan volume selalu konstan. Dengan mengukur perbedaan tinggi cairan dalam pipa, tekanan yang tidak diketahui dapat dihitung dengan menggunakan hukum ini.

Salah satu penggunaan utama McLeod Gage adalah untuk kalibrasi alat ukur tekanan vakum. Di laboratorium atau fasilitas kalibrasi, McLeod Gage sering digunakan untuk memastikan alat ukur tekanan vakum lainnya memberikan hasil yang akurat. Karena McLeod Gage dapat mengukur tekanan pada tingkat sangat rendah dengan presisi tinggi, alat ini menjadi standar untuk mengkalibrasi instrumen lain yang digunakan dalam pengukuran vakum. Hal ini memastikan bahwa alat-alat tersebut dapat diandalkan untuk memberikan pengukuran yang tepat, terutama pada kondisi vakum tinggi.

Selain itu, McLeod Gage juga banyak digunakan dalam pengukuran tekanan vakum di proses industri, khususnya di industri yang memerlukan tekanan vakum tinggi, seperti dalam pembuatan semikonduktor. Di sektor ini, McLeod Gage digunakan untuk mengukur dan memverifikasi tekanan vakum yang sangat rendah di ruang bersih atau ruang pemrosesan. Pengukuran yang akurat sangat penting untuk proses-proses seperti deposisi uap, di mana tekanan yang sangat rendah diperlukan untuk menghasilkan produk semikonduktor berkualitas tinggi. McLeod Gage membantu memastikan bahwa tekanan di dalam ruang pemrosesan sesuai dengan spesifikasi yang diperlukan untuk menghasilkan komponen semikonduktor yang optimal.

McLeod Gage memiliki sejumlah kelebihan yang membuatnya sangat berguna dalam aplikasi pengukuran tekanan vakum yang sangat rendah. Salah satu kelebihan utamanya adalah akurasi tinggi. Alat ini sangat tepat dalam mengukur tekanan pada tingkat yang sangat rendah, menjadikannya pilihan ideal untuk aplikasi yang membutuhkan ketelitian yang sangat tinggi, seperti dalam kalibrasi alat ukur tekanan vakum lainnya. McLeod Gage dapat menghasilkan pengukuran yang sangat akurat dan dapat diandalkan, yang penting untuk memastikan bahwa alat ukur vakum lainnya berfungsi dengan benar. Selain itu, desain sederhana dari McLeod Gage membuatnya mudah dipahami dan digunakan. Alat ini memiliki struktur yang cukup sederhana, sehingga penggunaannya tidak memerlukan pelatihan yang rumit. Dengan perawatan yang tepat, McLeod Gage juga memiliki daya tahan yang baik, menjadikannya investasi yang berguna dalam jangka panjang.

Namun, McLeod Gage juga memiliki beberapa kekurangan. Salah satunya adalah rentang pengukuran yang terbatas. Alat ini hanya efektif untuk mengukur tekanan pada rentang yang sangat rendah (biasanya di bawah 10⁻⁴ torr) dan tidak dapat digunakan untuk mengukur tekanan yang lebih tinggi. Hal ini membuatnya kurang cocok untuk aplikasi yang memerlukan pengukuran tekanan lebih tinggi. Selain itu, sensitivitas terhadap suhu juga menjadi perhatian. Perubahan suhu dapat memengaruhi akurasi McLeod Gage, karena perubahan suhu dapat menyebabkan perubahan dalam volume cairan dan tekanan yang diukur. Terakhir, proses pengukuran dengan McLeod Gage dapat memakan waktu lebih lama dibandingkan dengan alat ukur tekanan lainnya. Pengukuran ini melibatkan pemompaan cairan dan perubahan volume, yang bisa memerlukan waktu lebih lama untuk mendapatkan hasil yang akurat.

Summary

Pengukuran tekanan merupakan aspek krusial dalam berbagai industri, seperti minyak, gas, dan kimia, untuk memastikan keselamatan dan efisiensi proses. Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas dan diukur dalam satuan seperti pascal, bar, dan psi. Terdapat beberapa terminologi penting dalam pengukuran tekanan, termasuk tekanan absolut, relatif, hampa, dan differential. Alat ukur tekanan yang umum digunakan meliputi manometer kolom cairan (U-tube), Bourdon Tube, Diaphragm Pressure Gage, Bellows, dan McLeod Gages, masing-masing dengan prinsip kerja dan aplikasi yang berbeda. Setiap alat memiliki kelebihan dan kekurangan, seperti akurasi, sensitivitas terhadap getaran, dan rentang pengukuran, yang mempengaruhi pemilihannya sesuai kebutuhan industri.

Baca Juga

• Mengenal Beragam Metode Pengukuran Level Fluida untuk Industri Modern

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

• Instrumentasi dan Pengendalian Proses

• Memahami Sistem Instrumentasi: Tulang Punggung Industri Minyak, Gas, dan Petrokimia

• Mengenal Positioner pada Control Valve