Dry-Wet Reference Leg; Level Instrument

I remember somebody discussed about wet & dry leg for level instrument few years ago. I searched in google and wikipedia and found very difficult explanation to get it. Finally I found very simple explanation about wet & dry reference leg application to measure a liquid level where gas or vapor existing on the top of vessel. Vessel means it is not open to atmospher. The top of vessel where gas or vapor existing is pressurized. It means if differensial pressure method level measurement shall be applied, both side; minimum detectable level and maximum detectable level shall be measured to find resultant of head pressure which equivalent to liquid level. Where is wet & dry reference leg shall be used? Here the novel is.

Terminologi dry & wet leg ditemukan pada pengukuran level dengan metode differensial pressure pada non atmospheric vessel. Differensial Pressure instrument mengukur Hi-side dan Lo-side suatu vessel dan dicari selisih atau perbedaan pressurenya agar didapatkan pressure head atau hydrostatic pressure yang benar-benar hanya disebabkan oleh liquid level. Dry referense leg digunakan untuk pengukuran ketinggian liquid di dalam vessel yang memilki gas atau vapor kering pada bagian atas vessel. Wet reference leg digunakan untuk pengukuran liquid di dalam vessel yang memiliki gas atau vapor basah di bagian atas vessel dan bisa terkondensasi di reference leg.

Dibawah ini adalah skematik dari Dry Reference Leg Liquid Level Instrument:

dryleg

Gas atau Vapour di bagian atas vessel harus benar-benar kering jika ingin menggunakan dry reference leg. Fungsi reference leg adalah sebagai pengurang untuk menentukan besar static pressure dari liquid. HP pada instrument mengukur pressure pada bottom level vessel. Yang terukur pada HP = Head Liquid Pressure + Vapor/Gas Pressure. Untuk mendapatkan pressure dari liquid maka pressure dari vapor/gas harus dihilangkan dengan dikurangkan. Oleh karennya gas/vapor harus diukur dengan instrument yang sama pada LP. Vapor/gas yang kering akan memberikan tekanan yang sama ke segala arah termasuk ke sensor LP. Jadi tekanan yang dirasakan oleh LP = Vapor/Gas Pressure di permukaan liquid. Sehingga head liquid static pressure DP = HP – LP atau DP = Head Liquid Pressure ditemukan. Vapor/Gas pressure akan saling menghilangkan ketika dikurangkan. Ketika liquid kosong 0% didapatkan DP = 0; ketika liquid penuh 100% di dapatkan DP = HP – LP. Sehingga equivalensi linear dengan DP maka level 0-100% didapatkan. Jika tidak ingin menggunakan satuan level percentage tapi menggunakan satuan ketinggian maka differensial pressure lebih baik diukur dalam InchH2O atau mmH2O. Baca Artikel InH2O; Liquid Level Instrument.

Nah, apa yang terjadi jika vapor/gas-nya basah atau condensable maka reference leg akan terisi liquid. Akibatnya tekanan yang terukur pada LP tidak sama dengan tekanan di permukaan liquid. LP sudah ketambahan pressure dari condensate yang jatuh jadi liquid di sisi LP sehingga metode di atas tidak applicable. Maka metode pengukuran lain perlu diperkenalkan. Sebagai lawan konsep Dry Reference Leg di atas maka Wet Reference Leg Level Measurement perlu digunakan.

Dibawah ini adalah skematik dari Wet-Reference Leg:

wetleg

Reference leg kalau dibiarkan akan terus ketambahan condensate. Agar tidak ketambah-tambahan liquid maka reference leg-nya dipenuhi aja dengan liquid yang sama dengan liquid dalam vessel. Metode pengukuran inilah yang disebut Wet Reference Leg Level Instrument. Reference leg dihubungkan dengan HP dari instrument karena nilai pressurenya adalah maksimum. Sedangkan LP dihubungkan ke vessel. Nilai HP selalu tetap sebagai reference sedangkan nilai LP menikuti ketinggian level. Tekanan yang dirasakan oleh HP = Max Head Pressure + Vapor/Gas Pressure, tekanan yang dirasakan oleh LP = Liquid Head Pressure + Vapor/Gas Pressure. Bagaimana cara mendapatkan Liquid Head Pressure saja?. DP = HP – LP atau DP = Max Head Pressure – Liquid Pressure. Vapor/Gas pressure-nya saling menghilangkan. Dengan perbandingan ekuivalensi ketika level liquid kosong 0% maka DP = Max Head Pressure, sedangkan ketika level liquid maksimum 100% maka DP = 0. Dengan ekuivalensi linear dengan DP maka level 0-100% didapatkan.

Nova Kurniawan

I am working at multinational EPCI company, I get BEng degree from Engineering Physics ITB

Advertisements

4-20 mA; A Myth

Honestly it’s very difficult to find books or references which explain clearly why analog signal 4-20 mA is used on electric signal transmission. I remember I saw somebody gave his opinion in a mailing list but I forget already what he told exactly and unfortunately I lose the email by now. Sometimes I think 4-20 mA is a myth like Da Vinci Code in Dan Brown novel. There are not many expert interested to write in detail the reasons why 4-20 mA was chosen. Normally they only said the standard instrumentation signal 4-20 mA was used as common practice in instrumentation data transmission. I don’t write this post to give clear understanding, I just want to catch any idea from my guest to bring up the myth into scientific explanation.

Sekitar 6 tahun lalu di sebuah presentasi Tugas Akhir seorang rekan, dosen penguji menanyakan kenapa signal 4-20 mA digunakan dalam instrumentasi. Sang mahasiswa memberikan satu alasan tentang batas nilai bawah yang tidak mengambil nilai 0 mA tetapi mengambil 4 mA dimaksudkan untuk membedakan nilai yang ditransmit merupakan nilai minimal bukan terjadi permasalahan pada loop kabelnya, misalnya putus. Karena ketika 0 mA digunakan, maka tidak ada beda antara kabel putus atau nilai data yang ditransmit adalah nilai minimum. Mungkin penanya akan menanyakan kenapa tidak dipakai 2 mA atau 3 mA sebagai batas bawah?. Belum sempat ada pertanyaan itu, uniknya dosen pembimbing tiba-tiba ikut menyela dengan mengatakan bahwa 4-20 mA adalah signal standar komunikasi electric analog dunia instrumentasi yang sudah tida perlu untuk dipertanyakan lagi.

Saya jadi teringat dengan kasus kenapa satuan level intensitas suara adalah Desibel? bukan Centibel, Milibel, Hectobel, Decabel, dll?. Jawaban yang paling saya inget adalah bahwa penggunaan Decibel merupakan kesepakatan expert tentang penskalaan logaritmik dengan dikalikan 10 karena range pendengaran yang terlalu lebar menyulitkan penskalaan. Nah, jangan-jangan 4-20 mA adalah kesepakatan para expert juga? Kenapa disepakati?

Buku Continous Process Control; P.G. Friedmann, T.P. Stoltenberg (ISA) sekilas menyinggung, “The 4-20 mA signal became the industry standard because of inherent stability of electric current loops with multitude of resistivity load. Another advantage is that 4 mA offset ensures that minor electrical noise does not reach amplitude that is greater than the measured signal. This make noise suppression less of problem. Also the 4-20 mA loop can be monitored for a zero mA condition to alarm that an open fuse or broken wire has rendered the loop inoperative”. Jadi resumenya dari Oom Friedmann adalah tentang kestabilan signal 4-20 mA ketika terjadi perubahan resistansi atau impedansi, kemudian ketahanan terhadap ‘minor’ noise (berarti kalau major nggak tahan nih?), dan sebagai pembeda apakah signal sedang berada pada nilai minimum atau terdapat permasalahan di dalam loop (tidak ada signal), hal ini dikenal dengan “live zero” pada 4 mA.

Terdapat tambahan dari artikel Building Automation Product, Inc., bahwa signal 4-20 mA dapat tetap mengalir paling effective dan sempurna meskipun koneksi dari kabel kurang sempurna / longgar. Kemudian dinyatakan juga bahwa 4-20 mA tidak terpengaruh oleh adanya voltage drop asalkan power supply voltage masih lebih besar dari total voltage drop pada maksimum arus signal 20 mA. Juga yang paling digaris bawahi adalah pada analog signal receiver (dalam hal ini adalah I/O controller) seperti sudah menjadi ‘kesepakatan’ fabrikan untuk memiliki impedansi analog input totalnya adalah 250 Ohm. Ada ‘anggapan’ bahwa controller mengukur voltage diantara resistant 250 Ohm tersebut untuk mendapatkan data lapangan sebagai analog input. Dengan demikian pada saat nilai arus 4 mA melalui resistant 250 Ohm maka controller menerima 1 VDC, jika arus yang mengalir 8 mA maka controller menerima 2 VDC, arus 12 mA  mengalir maka controller menerima 3 VDC, 16 mA controller menerima 4 VDC, dan pada 20 mA controller akan menerima voltage 5 VDC. Data voltage tersebut yang diolah oleh PLC/DCS. 

Sehingga dengan konsep ini saya juga menduga bahwa controller itu mengolah data dengan data voltage yaitu 0 VDC untuk fault pada loop (kabel putus, short dll) pada arus 0 mA, dan signal antara 1 VDC – 5 VDC untuk mengolah data transmisi dari lapangan. Dengan alasan transmisi signal harus dengan arus karena alasan anti voltage drop, anti noise dll sebagaimana pembahasan di atas, padahal diketahui controller lebih ‘suka’ menerima voltage, oleh karenanya dicari nilai arus yang tepat yang dapat dikonvert dengan mudah menjadi 0 VDC, 1VDC – 5 VDC. Nah, ketika disepakati penggunaan resistant 250 Ohm, maka signal 4-20 mA adalah pilihan maknyus sebagaimana konversi 4-20 mA menjadi 1-5 VDC pada paragraf di atas. Kebenarannya harus ditanyakan ke vendor-vendor seperti Honeywell, Siemens, Yokogawa, Foxboro, dll. Temen-temen yang bekerja di vendor automation system please share your idea.

Ada juga pertimbangan bahwa dengan arus 4 mA, transmitter sudah memiliki power yang cukup untuk menyala (ON). Maka pilihan 4-20 mA sepertinya susah diganggu gugat untuk teknologi analog konvensional.

Nova Kurniawan

Instrument Engineer; I am working at multinational EPCI company operating in Indonesia