Alat-alat instrumentasi yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besarnya tinggi permukaan cairan digunakan diferensial transmitter elektrik yang dilengkapai dengan instrumentasi lain seperti control valve, pressure gauge, pompa recorder controller dan tangki.

Tujuan pengukuran tinggi permukaan cairan pada proses adalah untuk :

1. Mencegah kerusakan equipment dan kerugian akibat cairan bahan untuk proses industri terbuang. 2. Pengontrolan jalannya proses. 3. Mendapatkan spesifikasi yang diinginkan seperti pada Evaporator-evaporator hydrocarbon.

2. Terminologi Pengukuran

Terminologi yang umum digunakan dalam teknik instrumentasi dan control :

1. Proses variabel : Besaran fisis atau kimia atau suatu keadaan yang dapat berupa suhu, aliran, tekanan, cahaya, Ph dan sebagainya, yang berubah terhadap waktu.
2. Variabel control: Besaran atau keadaan yang diukur dan diatur oleh peralatan automatic controller.
3. Control agent (Medium): Bahan atau energy yang terdapat didalam proses yang mempengaruhi harga dari variabel kontrol dan alirannya diatur oleh final kontrol elemen.
4. Measuring elemen: Elemen-elemen yang ikut serta dalam pengukuran perubahan dari variabel kontrol.
5. Primary control element: Bagian dari control yang menyebabkan pergerakkan atau variasi dari besaran yang diukur untuk menjalankan sistem kontrol.
6. Final control element: Bagian dari sistem kontrol misalnya katub membran, lever motor atau electrical beater, yang mengerjakan langsung suatu alat control.
7. Automatic controller: Suatu mekanisme yang mengukur harga-harga dari suatu besaran atau keadan dan bekerja mempertahankannya didalam batas-batas yang tertentu.
8. Set point: Harga dari variabel kontrol yang ingin dicapai dan dipertahankan. Suatu control biasanya diperlengkapi dengan satu jarum penunjuk untuk titik penentuan (set point) dan peralatan untuk di set.
9. Control Point: Harga rata-rata dari variabel kontrol yang dipertahankan control pada keadaan beban konstan.
10. Respone kontrol: Operasi yang terjadi oleh control sebagai akibat dari perubahan pada variable kontrol.
11. On-Off Respone: Suatu control respont dimana final control elemen berubah dengan cepat dari suatu nilai ekstrim ke nilai ekstrim secara periodik sebagai akibat dari perubaha variable kontrol.
12. Direct Acting Controller: Suatu controller yang memperbesar tekanan udara bagi control unit jika terjadi kenaikan pada harga variabel kontrol.
13. Referse Akting Controller: Suatu controller yang memperkecil tekanan udara control unit jika terjadi kenaikan pada harga variabel kontrol.
14. Adjusment sensitivity atau proportional response: Suatu response dari controller yang sebanding dengan perubahan dari variable kontrol.
15. Throttling Range atau Propotional Band:Batas dari harga maxsimum dan minimum dari perubahan variabel control untuk membuat pergerakan/operasi dari control elemen yang terahir dari batas maxsimum ke batas minimum.
16. Sensitivity: Suatu unit dari propotional response yang dinyatakan dalam satuan tertentu. Untuk alat yang bekerja dengan tekanan sensitivity dapat dinyatakan dengan p.a. i./inchi. Sensitivity dapat didefinisikan sebagai perbandingan perubahan dari controller output dengan perpindahan jarum penunjuk yang diukur dari set point.
17. Offset: Perbedaan antara yang diinginkan (Set point) dengan besaran yang terjadi sebagai output (control point) dari sebuah propotional controller.
18. Load Change (Perubahan beban): Suatu perubahan didalam keadaan-keadaan proses yang membutuhkan suatu perubahan posisi dari control element yang terahir untuk menjaga harga yang diinginkan bagi control point.
19. Synchronization: Proses untuk menyetel Controller Output melalui posisi dari control element yang terahir sedemikian rupa hingga control point yang diinginkan dijaga pada suatu posisi yang tetap dengan set point.
20. Reset rate: Satuan pengukuran untuk menyatakan reset response. Perbandingan antara kecepatan perubahan dari control element yang terahir sesuai dengan reset response dan juga terhadap propotional response yang mengikuti suatu keadaan perubahan dari alat ukur. Reset rate biasanya dinyatakan dalam cycle per menit.
21. Error: Adalah selisih antara nilai set-point dikurang dengan nilai measured variable.  Error bisa negatif bisa juga positif. Bila set-point lebih besar dari measured variabel error akan menjadi positif. Sebaliknya bila set-point lebih kecil dari measured variabel error menjadi negatif.
22. Span: Adalah nilai pengukuran dari transduser atau sensor, contoh : Span dari transduser 0 – 100, maka zero adalah 0 dan range adalah 100. Jika rangenya adalah 50 – 150 .
23. Transmitter: Adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing element, dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dimengerti oleh controller.
24. Transducer: Adalah unit pengalih sinyal. Kata transmitter seringkali dirancuhkan dengan transducer. Transducer lebih bersifat umum sedangkan transmitter lebih khusus pada pemakaiannya dalam sistem pengukuran.

3. Metoda Pengukuran Tinggi Permukaan Cairan (Level).

Pengukuran permukaan, volume, berat cairan pada bahan kering dalam bejana atau tabung sering kali dijumpai. Pengukuran yang teliti seringkali sulit dicapai. Luasnya variasi karat dan sifat cair dan besarnya ukuran bejana penyimpanan yang diperlukan untuk pengukuran isi di dalam fraksi satu liter adalah halangan yang harus diatasi. Metode umum yang digunakan untuk melaksanakan pengukuran ini termasuk teknik langsung dan tidak langsung.

Pengukuran langsung tinggi permukaan cairan dapat dilihat dari penggunaan gelas penglihat atau gelas ukur biasa dalam bejana dianggap merupakan metode yang paling sederhana untuk mengukur tinggi permukaan cairan. Metode ini sangat efektif digunakan dalam pengukuran langsung.

Metoda yang digunakan secara luas untuk langsung mengukur permukaan adalah pelampung sederhana, yang dapat dihubungkan dengan transduser gerakan sesuai untuk menghasilkan sinyal listrik yang sebanding dengan permukaan cairan.

Beberapa metode tidak langsung meliputi pengukuran (permukaan), tekanan, pengukuran kerapatan (densitas), pengukuran tinggi permukaan dengan pemberat, dan lain-lain.

Pada pabrik kimia, banyak tangki dan tabung dipakai untuk menyimpan bahan baku dan produk berupa cairan. Penyimpanan perlu diketahui volume dan inventarisnya. Proses fluida dalam fase cair terus-menerus ditampung atau dialirkan ke tangki atau tabung penyimpanan.

Permukaan cairan dalam tangki harus dibuat setabil agar operasi dalam pabrik dapat setabil. Banyaknya cairan yang terdapat dalam tangki dapat diketahui dengan mendeteksi tinggi dari permukaan cairan dalam tangki proses. Permukaan cairan dibuat tetap dengan mengendalikan laju arus cairan yang dilakukan dari dasar tangki menggunakan control valve. Rangkaian kendali permukaan cairan terdiri atas detektor, controller, converter dan control valve.

Metoda pengukuran tinggi permukaan cairan ada dua yaitu :

1. Pengukuran dilihat langsunng: Tinggi permukaan cairan dapat dilihat langsung dan diduga kedalamannya dan ditunjukkan dalam satuan pengukuran panjang (meter). Dengan diketahuinya tinggi permukaan cairan maka volume dari cairan yang diukur dapat dicari bila dikehendaki.
2. Metoda mekanik: Gaya pada cairan menghasilkan gerak mekanik. Pergerakan mekanik ini kemudian dikalibrasi kedalam bentuk skala angka-angka.

Gambar 1. Metoda dilihat langsung

Gambar 2. Metoda mekanik

4. Jenis-jenis Alat Ukur Tinggi Permukaan Cairan.

Dalam mengukur tinggi permukaan cairan dalam suatu tangki pemrosesan maupun dalam tangki penimbunan dipergunakan alat ukur tinggi permukaan cairan yang sesuai dengan bentuk penggunaannya.

Alat ukur permukaan cairan terdiri dari beberapa jenis diantaranya :

1. Mistar Ukur

Suatu batang dengan skala yang telah dikalibrasi dicelupkan secara vertikal dari atas ke dalam cairan yang akan diukur, atau dimasukkan sampai terjadi sentuhan antara permukaan cairan dan ujung mistar ukur. Ketinggian permukaan pada hal pertama dibaca pada batas pembasahan mistar, pada hal kedua pada suatu titik acuan tertentu (misalnya pinggiran wadah).

Nilai ukur tergantung pada besar dan bentuk wadah. Mistar ukur hanya boleh digunakan untuk wadah yang sebelumnya dipakai untuk mengkalibrasi mistar yang bersangkutan. Apabila digunakan mistar ukur yang salah atau cara pencelupan yang tidak betul (misalnya miring), nilai ukur akan menjadi salah pula.

Mistar ukur merupakan alat ukur yang paling sederhana untuk cairan dalam wadah terbuka yang tidak terlalu tinggi. Tidak cocok untuk pengukuran yang harus dilakukan seringkali dan menuntut ketelitian tinggi. Juga tidak cocok untuk pengukuran dalam bejana bertekanan atau vakum atau berisi cairan berbusa.

2. Gelas Penduga (Level glass)

Gelas penduga dapat menunjukkan tinggi permukaan cairan dalam suatu bejana atau container secara langsung. Prinsip yang dipergunakan pada gelas penduga adalah prinsip bejana berhubungan.

Gelas penduga (Level glass) terdiri dari dua jenis yaitu :

• Gelas penduga ujung terbuka
• Gelas penduga ujung tertutup

Gambar 3. Gelas penduga ujung terbuka

Gambar 3. menunjukkan skematik dari sebuah bejana dan gelas penduga ujung terbuka. Pemasangan dari gelas penduga ini sangat sederhana. Pada bejana disediakan suatu pipa pengambilan dimana gelas penduga ditempatkan. Seal (Packing) disediakan agar sambungan jangan sampai bocor. Klem juga disediakan agar gelas menduga tetap pada posisinya. Sebagian cairan dalam bejana, akan mengalir kedalam Gelas penduga. Tinggi permukaan cairan pada Gelas penduga dan bejana biasanya sama, karena bejana dan Gelas penduga adalah merupakan dua bejana berhubungan. Gelas penduga ujung terbuka dipergunakan pada tangki-tangki tidak bertekanan yang tingginya tidak melebihi 1,5 meter, seperti tangki-tangki penampung minyak diesel motor bakar dan lain-lain.

Gambar.  4. Gelas penduga ujung tertutup.

Gambar  4. menunjukkan gelas penduga ujung tertutup dengan bejana bertekanan tinggi. Bahwa kedua ujung gelas penduga dihubungkan dengan bejana. Ujung bagian bawah tersambung dengan bagian bejana berisi uap (kosong). Level glass yang dipergunakan untuk cairan yang bertekanan tinggi harus diberi pelindung kaca tahan banting dan harus dilengkapi dengan kerangan-kerangan isolasi yang memungkinkan level glass dilepas dari sistem sewaktu perbaikan atau pembersihan.

Level glass yang dipergunakan untuk cairan dengan temperature yang tinggi harus dilengkapi dengan saluran buangan. Saluran ini berfunngsi untuk mencegah thermal shock yang dapat memecahkan level glass sewaktu menjalankan kembali sesudah perbaikan. Level glass juga sering diperlengkapi dengan lampu penerang untuk mempermudah pemeriksaan terutama pada malam hari.

3. Pemberat dan Pita.

Gambar 5 Pemberat dan Pita

Cara termudah untuk mengukur tinggi permukaan cairan dalam tangki-tangki ialah dengan menggunakan sebuah pipa pengukur yang diberi bobot pemberat. Bobotnya diturunkan kedalam tangki dan tinggi permukaan cairan dilihat langsung pada pita

pengukuran (pita ini telah diberi skala). Sistem pengukuran seperti ini sering dilakukan pada tangki-tangki yang mengandung cairan yang bisa melengket dan memberikan bekas warna pada pengukuran Crude oil, Condensate Hydrocarbon dan lain-lain. Disamping itu pada tangki harus disediakan lubang agar bobot dapat masuk dan diturunkan.

4. Alat Ukur Dengan Penggeser.

Disebut Displacer adalah karena pada prinsipnya nilai gerak apung yang dihasilkan oleh displacer didesain untuk menggantikan (displacement ) nilai volume cairan yang menghasilkan gerak apung tersebut.

Prinsip ini dapat dibuktikan seperti pada gambar 6

Gambar 6. Penggeser.

Gambar 6, menunjukkan sebuah penggeser didalam silinder kosong, digantung pada sebuah dacing (timbangan).

Penunjuk pada timbangan menunjuk 3 Ib.

Pada gambar B, air setinggi 7 inchi pada silinder mengurangi berat penggesser sebesar 1 Ib dan pada gambar C, air setinggi 14 inchi menggantikan (mengurangi) berat dari penggeser sebesar 2 Ib sehingga berat dari penggeser kini hanya sebesar 1 Ib. Padahal penggesernya tidak diapa-apakan.

Ada 3 hal yang penting untuk diperhatikan pada kejadian ini yaitu :

1. Penggeser tidak akan terapung diatas cairan, melainkan sebagian akan terbenam, karena penggeser itu sendiri mempunya berat tertentu dan terikat pada gantungan (support arm).
2. Naiknya tinggi permukaan cairan akan membuat penggeser naik, karena adanya gaya apung yang lebih besar dari cairan. Akan tetapi pergerakan dari penggeser hanya kecil sekali dibandingkan dengan naiknya tinggi permukaan cairan.
3. Perubahan pada kedudukan penggeser akan mengakibatkan perubahan pada kedudukan penunjuk dari timbangan.

Gambar 7. Penggeser dengan Meteran

Gambar 7. menunjukkan disain dari penggeser dengan meteran penunjuk. Perhatikan bahwa tabung pemuntir dipergunakan langsung untuk menggerakan penunjuk (pointer). Penggeser selalu dihubungkan dengan transmitter sinyal. Output dari transmitter kemudian dikirimkan ke meteran penunjuk. Output ini bisa berupa sinyal pneumatic maupun sinyal listrik.

Prinsip kerja dari alat ukur dengan penggeser pada umumnya dapat dikatakan sebagai berikut :

1. Perubahan pada tinggi permukaan cairan yang diukur akan mengakibatkan perubahan pada gaya apung dari cairan tersebut. Ini akan membuat penggeser bergerak turun atau naik.
2. Pergerakan penggeser akan menghasilkan gerak memuntir pada tabung pemuntir.
3. Pergerakan pada tabung pemuntir kemudian dipergunakan untuk menghasilkan sinyal pneumatic atau listrik. Kemudian sinyal ini dikirimkan kemeteran penunjuk. Meteran penunjuk dapat berupa meteran dengan Tabung Bourdon.

5. Alat Ukur Tinggi Permukaan Cairan Dengan Beda – Tekanan.

Diafragma dan pengembus seperti yang dibicarakan pada alat-alat ukur tekanan dapat dipergunakan untuk mengukur tinggi permukaan cairan Akan tetapi, sama halnya dengan Penggeser maka diafragma dan pengembus selalu dihubungkan dengan transmitter, baik pneumatik atau listrik. Kemudian, tekanan sinyal pneumatik atau tegangan listrik ini diturunkan ke meteran penunjuk yang telah dikalibrasi sebelumnya.

Gambar 8. Pengembus untuk Transmitter Tinggi Permukaan Cairan.

Gambar 8. menunjukkan skematik dari pengembus yang dipergunakan dalam pengukuran tekanan. Pengembusan seperti ini juga dapat dipergunakan untuk pengukur Tinggi Permukaan Cairan.

6. Alat ukur dengan sistem gelembung.

Gambar 9. Sistem Gelembung.

Gambar 9. menunjukkan skematik dari alat ukur tinggi permukaan cairan dengan sistem gelembung. Meteran penunjuk untuk alat ukur ini umumnya adalah pressur gage dengan tabung bourdon yang telah dikalibrasi sebelumnya kedalam bentuk skala proses. Alat ukur Tinggi Permukaan Cairan dengan sistem gelembung dipergunakan pada tangki-tangki air, tidak bertekanan (tekanan statis). Sistem gelembung memerlukan catu udara bertekanan yang kontinu. Biasanya tekanan udara ini maxsimum 50 psi. Udara ini dimasukkan kedalam tabung yang terbenam (tegak) pada cairan yang akan diukur. Semakin tinggi permukaan cairan yang akan diukur semakin besar tekanan udara yang dibutuhkan untuk dapat mengatasi tekanan statis yang diberikan cairan. Dengan demikian, tinggi permukaan cairan dapat diukur melalui besaran tekanan udara yang dibutuhkan.

Jenis lain dari alat ukur tinggi permukaan cairan.

1. Meteran tangki penyimpanan (storage tank gages)

Gambar 10. Meteran tangki penyimpanan.

Gambar 10. menunjukkan skematik dari meteran tangki penyimpanan. Alat ini terdiri dari pelampung dan pita baja. Bila tinggi permukaan cairan naik maka pelampungpun turut naik. Angka yang ditunjuk oleh ujung pita baja menunjukkan tinggi permukaan cairan yang diukur. Angka ini biasanya dalam satuan panjang, akan tetapi dapat diperhitungkan menjadi satuan isi. Meteran tangki penyimpanan seperti ini sering disebut seperti ini sering disebut dengan nama pelampung dan pita (float and tape) dan dipergunakan dalam pengukuran cairan pada tangki penimbunan yang tidak bertekanan.

 

2. Kotak diafragma

Gambar 11. Kotak diafragma

Gambar 11. menunjukkan skematik dari alat ukur tinggi permukaan cairan yang disebut kotak diafragma. Alat ini terdiri dari meteran penunjuk, pipa dan diafragma dan sistem ini diisi udara bertekanan setara dengan tekanan atmosfir. Meteran penunjuk, biasanya adalah jenis Presure gage dengan tabung bourdon yang dikalibrasi kedalam bentuk skala proses. Bila tinggi permukaan cairan naik maka tekanan dalam sistem pengukuran akan naik. Ujung pipa pada kotak dibuat bengkok 90º supaya saluran pengukuran jangan tersumbat oleh diafragma.