-

Iip Ahmad Rifai, Hidayat Wiriadinata

Pusat Penelitian Metrologi LIPI

Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, 15314

iip@kim.lipi.go.id

INTISARI

Benda-hitam sebagai media kalibrasi termometer radiasi memiliki emisivitas yang bergantung nilainya pada panjang gelombang dan suhu. Ketergantungan ini berpengaruh pada kesulitan dalam menggunakan media tersebut pada proses kalibrasi termometer radiasi. Dengan demikian agar proses kalibrasi termometer radiasi bisa dilaksanakan lebih mudah, maka telah dikalibrasi benda-hitam pada panjang gelombang (8-14) m dengan menggunakan termometer radiasi. Hasil dari kalibrasi ini adalah sebuah benda-hitam yang berfungsi sebagai sumber radiasi panas acuan untuk kalibrasi termometer radiasi yang memiliki tanggapan spektral (8-14) m pada rentang suhu 50 C - 500 C dengan ketidakpastian antara 2,7 C dan 5,7 C.

Kata Kunci : benda-hitam, kalibrasi, termometer radiasi, emisivitas, tanggapan spektral.

ABSTRACT

Blackbody as media calibration radiation thermometer has emissivity value that depends on the wavelength and temperatur. This dependence effect on the difficulty in using the media to the radiation thermometer calibration process. Thus the radiation thermometer calibration process that can be implemented more easily, it has been calibrated blackbody at wavelengths (8-14) m using radiation thermometer. The results of this calibration is a blackbody that serves as a source of heat radiation of reference for calibrating radiation thermometers that have spectral responses (8-14) m at temperatur range 50 C 500 C with uncertainty between 2.7°C and 5.7°C.

Keywords : blackbody, calibration, radiation thermometers, emissivity, spectral responses.

1. PENDAHULUAN

Termometer radiasi (radiation thermometer) adalah termometer jenis non kontak

karena pada saat mengukur suhu tidak ada kontak langsung dengan benda ukur. Yang

diukur oleh termometer radiasi adalah radiasi panas yang dipancarkan oleh benda ukur

dalam bentuk gelombang elektromagnetik, yang besarnya sebanding dengan suhu benda

ukur tersebut. Termometer radiasi dilengkapi dengan kombinasi detektor dan filter yang

peka terhadap panjang gelombang radiasi panas yang ketika merambat di udara nyaris

tak ada hambatan , misalnya radiasi panas pada panjang gelombang 0,65 m, 0,9 m dan

(8-14) m. Jenis kombinasi detektor dan filter merupakan tanggapan spektral (spectral

response) dari termometer radiasi. Pada saat ini penggunaan termometer radiasi

cenderung meningkat, khususnya jenis termometer radiasi suhu rendah yang memiliki

tanggapan spektral pada daerah infra merah. Pada umumnya termometer radiasi ini

berbentuk hand-held serta memiliki tanggapan spektral (8-14) m dan populer di

kalangan pengguna sebagai termometer infrared.

Untuk memelihara ketertelusuran skala suhunya, secara berkala termometer

radiasi dikalibrasi. Sistem kalibrasinya terdiri dari termometer standar dan benda-hitam

sebagai media kalibrasinya. Sistem kalibrasi tersebut akan menghasilkan suatu nilai suhu

acuan yang disebut suhu espektasi (expected temperatur) texp. Suhu espektasi adalah suhu

yang diharapkan tampil pada display termometer infrared dan merupakan suhu acuan

pada kalibrasi termometer radiasi tersebut. Ada 3 kemungkinan sistem kalibrasi yang

bisa digunakan yaitu[1] :

a. Menggunakan media kalibrasi benda-hitam (variable temperatur blackbody) dengan

termometer radiasi sebagai termometer standar,

Gambar 1. Sistem kalibrasi termometer Radiasi dengan termometer radiasi sebagai standar

b. Menggunakan media kalibrasi benda-hitam dengan termometer kontak sebagai

termometer standar, misalnya termokopel atau termometer tahanan platina (platinum

resistance thermometer),

c.

Gambar 2. Sistem kalibrasi termometer Radiasi dengan termometer kontak sebagai standar

d. Menggunakan benda-hitam sebagai sumber radiasi panas standar.

Dari tiga kemungkinan tersebut, kemungkinan c merupakan sistem kalibrasi yang

paling sederhana dan murah karena tidak memerlukankan termometer standar seperti

pada kemungkinan a. dan kemungkinan b. Namun agar benda-hitam tersebut bisa

digunakan sebagai sumber radiasi panas standar maka benda-hitam tersebut harus sudah

dikalibrasi sebelumnya.

Pada tulisan ini akan dibahas tentang kalibrasi benda-hitam, yang nantinya bisa

digunakan sebagai sumber radiasi panas standar pada kalibrasi termometer radiasi.

2. KALIBRASI TERMOMETE RADIASI

Benda-hitam merupakan media kalibrasi yang selalu digunakan untuk

mengalibrasi termometer radiasi. Pada proses kalibrasinya, termometer radiasi diarahkan

dan difokuskan pada benda-hitam dan radiasi panas netto yang terukur oleh termometer

radiasi adalah radiasi panas yang diterima dari benda-hitam, radiasi panas dari benda

sekeliling yang dipantulkan oleh benda-hitam dan radiasi panas yang dipancarkan keluar

dari termometer radiasi yaitu yang berasal dari detektor termometer radiasi. Hal terakhir

ini bisa terjadi karena setelah menerima radiasi panas, detektor termometer radiasi

menjadi panas dan kemudian memancarkan radiasi panas yang besarnya sebanding

dengan suhu detektor tersebut

Gambar 4. Komponen radiasi panas yang diterima termometer radiasi.

Gambar 3. Sistem kalibrasi termometer Radiasi dengan benda-hitam sebagai standar.

Suhu espektasi, Texp, pada display termometer radiasi yang dikalibrasi (unit under test,

UUT) adalah[2] :

...................................1

dengan : Suut(Texp) = output termometer radiasi untuk suhu Texp, A

Suut(Tbb) = output termometer radiasi untuk suhu benda-hitam Tbb, A

Suut(Tamb) = output termometer radiasi untuk suhu sekeliling yang dipantulkan benda-

hitam, Tamb, A

Suut(Td) = output termometer radiasi untuk suhu detektor termometer radiasi, Td, A

bb = emisivitas benda-hitam,

uut = emisivitas termometer yang dikalibrasi.

dan

.....................................................................2

= persamaan interpolasi untuk UUT

Auut, Buut, dan Cuut adalah parameter yang terkait dengan tanggapan spektral termometer

yang dikalibrasi dan c2 adalah konstan radiasi kedua, 0.014388 mK. Ketika persamaan 2

disubstitusikan ke persamaan 1 maka nilai Cuut di sisi kiri dan sisi kanan akan saling

menghilangkan, sehingga nilai Cuut dapat dianggap sama dengan 1. Untuk selanjutnya,

Persamaan 2 ditulis sebagai:

.................................................................................3

Jika tanggapan spektral UUT adalah 1 - 2) m dan dianggap memiliki distribusi persegi panjang, maka Auut dan Buut bisa dihitung dengan menggunakan persamaan[3] :

......................................................................................4

...........................................................................................5

dengan :

0 = panjang gelombang tengah 1 2)/2

= 12

bandwidth 2 1

Sebagai contoh, UUT dengan tanggapan spektral (8-14) m memiliki Auut = 9,36364 m

dan Buut = 178,36364 m.K-1

Bila pada saat dikalibrasi, T adalah output UUT dan Texp adalah suhu espektasinya maka

sebagai hasil kalibrasi dari UUT tersebut adalah : koreksi = Texp T. Nilai Texp sudah

diketahui sebelumnya yang diperoleh dengan cara mengalibrasi benda-hitam tersebut.

3. PERSAMAAN KALIBRASI BENDA-HITAM

Skema sistem kalibrasi benda-hitam diperlihatkan pada Gambar 6. Dalam sistem

ini, termometer radiasi Minolta Cyclops Compac 3 digunakan sebagai termometer

standar. Pada Gambar 7 ditunjukan gambar termometer radiasi tersebut. Termometer

radiasi Minolta Cyclops Compac 3 telah dikalibrasi secara komparasi terhadap

termometer tahanan platina standar. Pada saat proses kalibrasinya, termometer tersebut

ditempatkan pada jarak 965 mm di depan media kalibrasi berupa benda-hitam dengan

diameter 45 mm. Hasil kalibrasinya berupa nilai koreksi dan ketidakpastian yang

nantinya akan digunakan pada pengolahan data kalibrasi benda-hitam. Adapun

spesifikasi teknis dari termometer radiasi tersebut diperlihatkan pada Tabel 1.

Gambar 5. Skema sistem kalibrasi benda-hitam

Tabel 1. Spesifikasi teknis Minolta Cyclops Compac 3[4]

Sistem memiliki bukaan (aperture) dari pelat logam yang ditempatkan pada suatu

dudukan (aperture holder) di depan benda-hitam. Suhu bukaan dipertahankan tetap sama

dengan suhu ruang, yaitu dengan cara mengalirkan air yang suhunya dikontrol oleh suatu

alat pendingin. Bukaan berguna untuk menentukan ketidakpastian karena berbedanya

diameter benda-hitam yang dikalibrasi dengan diameter benda-hitam yang digunakan

pada saat Minolta Cyclop Compac 3 dikalibrasi. Untuk mengantisipasi beragamnya

perbedaan diameter maka telah disiapkan beberapa pelat logam yang masing-masing

memiliki bukaan ditengahnya dengan diameter yang berbeda-beda.

Persamaan output untuk termometer radiasi standar memiliki bentuk yang sama dengan

Persamaan 1 namun dengan indek yang berbeda, yaitu indek yang menunjukan

termometer radiasi standar, seperti berikut ini :

...................................6

dengan

Gambar 6. Termometer radiasi standar Minolta Cyclops Compac 3

...............................................................................7

= persamaan interpolasi untuk termometer radiasi standar.Bila emisivitas termometer standar std = 1, maka pengaruh Td bisa dihilangkan sehingga

Persamaan (6) menjadi :

..........................................8

Bila tanggapan spektral termometer radiasi standar dan termometer radiasi yang nantinya

akan dikalibrasi oleh benda-hitam (UUT) adalah sama, maka nilai Auut = Astd dan Buut =

Bstd sehingga indeks uut dan std dapat dihilangkan dari Persamaan 1 dan Persamaan 8

sehingga menjadi :

...................................9

.....................................................10

Suhu espektasi, Texp, bisa diperoleh dengan mesubstitusikan Persamaan 10 ke Persamaan

9, yaitu[3] :

...........................................11

yang merupakan persamaan kalibrasi benda-hitam.

Bila uut = 1, maka S(Texp) = S(Tstd) sehingga nilai Texp sama dengan nilai yang

ditunjukan oleh termometer standar Tstd. Bila uut = 0,95, maka pada saat menghitung

Texp, nilai Td didekati sama dengan nilai suhu ruang.

Texp akan menjadi suhu standar pada saat benda-hitam tersebut digunakan sebagai

sumber radiasi panas dalam kalibrasi termometer radiasi. Namun karena dalam

menurunkan persamaan kalibrasi ini tanggapan spektral termometer radiasi standar dan

termometer radiasi yang nantinya akan dikalibrasi oleh benda-hitam (UUT) adalah sama,

maka persamaan kalibrasi ini hanya berlaku untuk termometer radiasi yang memiliki

tanggapan spektral yang sama dengan termometer radiasi standar. Sebagai contoh, bila

benda-hitam dikalibrasi terhadap termometer radiasi dengan tanggapan spektral (8-14)

m, maka hanya termometer radiasi dengan tanggapan (8-14) m yang dapat di kalibrasi

dengan sistem kalibrasi ini.

Dengan menyelesaikan Persamaan 11 akan diperoleh nilai S(Texp) yang dengan

menginversikan persamaan :

.............................................................................12

akan diperoleh suhu radiansi :

..................................................................................13

atau :

...........................................................14

Berdasarkan pada Persamaan 11 bila dianggap

maka S(Texp) S(Tstd) sehingga uTexp uTstd. Sedangkan ketidakpastian standar total dari

kalibrasi terdiri dari ketidakpastian karena pengukuran berulang, resolusi display benda-

hitam, stabilitas benda-hitam dan ketidakpastian SSE dari termometer standar, atau :

............15

4. CONTOH PENGGUNAAN

Sebagai contoh penggunaan telah dikalibrasi sebuah benda-hitam berbentuk flat-

plate calibrator atau infrared calibrator yang dipersiapkan untuk menjadi sumber radiasi

standar pada kalibrasi termometer radiasi yang memiliki emisivitas 0,95. Infrared

Calibrator yang dikalibrasi diperlihatkan pada Gambar 8 dan pada Tabel 2 ditunjukan

spsifikasi teknisnya.

Tabel 2. Spesifikasi teknis Infrared Calibrator[5].

Pada Gambar 9 diperlihatkan set-up kalibrasi pada kalibrasi Infrared Calibrator tersebut.

Infrared Calibrator telah dikalibrasi pada rentang suhu 50 C 500 C. Besarnya

suhu ruang rata-rata pada saat dilakukan kalibrasi adalah 23 C dengan fluktuasi

disekitar 1 C. Pada kalibrasi ini digunakan bukaan dengan diameter 65 mm sehingga

seluruh permukaan aktif Infrared Calibrator dapat terlingkupi, seperti diperlihatkan pada

Gambar 10.

Gambar 7. Infrared Calibrator yang dikalibrasi

Gambar 9. Posisi bukaan terhadap Infrared Calibrator

Gambar 8. Kalibrasi Infrared Calibrator

Pada saat dinyalakan, Infrared Calibrator akan memancarkan radiasi panas yang

sebagian daripadanya akan memanaskan bukaan. Agar bukaan tidak menjadi sumber

radiasi panas tambahan maka suhu bukaan dipertahankan sama dengan suhu ruang, yaitu

dengan jalan mengalirkan air pendingin ke dudukan bukaan. Untuk rentang kalibrasi 50

C ~ 500 C air pendingin disetel pada nilai 18 C.

Sedangkan termometer standar ditempatkan pada jarak 965 mm dari permukaan

Infrared Calibrator sehingga sama dengan jarak pada saat termometer standar tersebut

dikalibrasi. Karena termometer standar dikalibrasi pada jarak 965 mm dengan diameter

sumber radiasi panas 45 mm sedangkan pada kalibrasi mengukur pada diameter 65 mm

sehingga akan terjadi kesalahan pengukuran yang disebut SSE (size of source effect).

Untuk mengetahui kesalahan tersebut, pada set-point 500 C bukaan 65 mm diganti

dengan bukaaan lain yang berdiameter 45 mm. Perbedaan penunjukan termometer

standar pada diameter 65 mm dan 45 mm merupakan nilai kesalahan SSE yang terjadi.

Hasil kalibrasi berupa suhu radiansi texp yang dapat dilihat pada Tabel 3.

Gambar 10. Set-up pengukuran SSE.

Tabel 3. Hasil kalibrasi Infrared Calibrator untuk uut = 0,95,

td = 22 C.

5. DISKUSI

Besarnya emisivitas benda-hitam bb yang muncul pada kalibrasi termometer

radiasi merupakan fungsi dari suhu dan panjang gelombang. Besarnya bb untuk suatu

panjang gelombang dapat diketahui melalui perhitungan berdasarkan pada distribusi

suhu, jenis material serta ukuran dimensi benda-hitam. Walaupun sudah ada sofware

komersial untuk menghitungnya, namun lebih menguntungkan bila pengaruh emisivitas

bb tersebut dapat dihilangkan. Hasil penurunan persamaan kalibrasi benda-hitam

memperlihatkan bahwa persamaan kalibrasi tersebut tidak bergantung pada emisivitas

benda-hitam, sehingga ketika benda-hitam tersebut digunakan sebagai standar pada

kalibrasi termometer radiasi maka kesalahan karena faktor emisivitas tidak muncul pada

hasil kalibrasinya. Namun akibat penurunan ini cakupan layanan sistem ini terbatas

hanya untuk termometer radiasi yang memiliki tanggapan spektral yang sama dengan

termometer standar. Selain itu, suhu ruangan tempat benda-hitam digunakan harus sama

besarnya dengan suhu pada saat benda-hitam tersebut dikalibasi. Tetapi hal ini bukanlah

sesuatu yang menyulitkan mengingat laboratorium kalibrasi pada umumnya

menggunakan ruangan dengan suhu yang hampir sama yaitu berkisar antara 20 C dan

23 C. Walaupun terdapat beberapa keterbatasan, benda-hitam hasil kalibrasi ini dapat

memberikan kemudahan dalam melakukan kalibrasi termometer radiasi. Kemudahan

tersebut diantaranya adalah sederhananya proses perhitungan nilai koreksi dan

ketidakpastiannya yaitu cukup dengan menggunakan tabel kalibrasi dari benda-hitam.

6. KESIMPULAN

Telah dilakukan Kalibrasi Benda-Hitam sebagai Media Kalibrasi untuk

Termometer Radiasi Yang Bekerja Pada Panjang Gelombang (8-14) µm. Dari hasil

penurunan persamaan kalibrasi benda-hitam memperlihatkan bahwa persamaan kalibrasi

tersebut tidak bergantung pada emisivitas benda-hitam, sehingga ketika benda-hitam

tersebut digunakan sebagai standar pada kalibrasi termometer radiasi maka kesalahan

karena faktor emisivitas tidak muncul pada hasil kalibrasinya. Namun akibat penurunan

ini cakupan layanan sistem ini terbatas hanya untuk termometer radiasi yang memiliki

tanggapan spektral yang sama dengan termometer standar. Selain itu, suhu ruangan

tempat benda-hitam digunakan harus sama besarnya dengan suhu pada saat benda-hitam

tersebut dikalibasi. Tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang menyulitkan mengingat

laboratorium kalibrasi pada umumnya menggunakan ruangan dengan suhu yang hampir

sama yaitu berkisar antara 20 C dan 23 C. Walaupun terdapat beberapa keterbatasan,

benda-hitam hasil kalibrasi ini dapat memberikan kemudahan dalam melakukan kalibrasi

termometer radiasi. Kemudahan tersebut diantaranya adalah sederhananya proses

perhitungan nilai koreksi dan ketidakpastiannya yaitu cukup dengan menggunakan tabel

kalibrasi dari benda-hitam.

7. DAFTAR PUSTAKA

[1] JV Nicholas, D R White, Traceable Temperatur : An Introduction to Temperatur

Measurement and Calibration, edisi kedua, John Wiley & Sons, Chichester, 2001

[2] P Saunders, Calibration and use of low-temperatur direct-reading radiation

20, 2009.

[3] Peter Saunders, MSL Technical Guide 22, Measurement Standards Laboratory of

New Zealand,2009.

[4] Manual of Minolta Cyclops Compac 3.

[5]

HASIL DISKUSI- Penanya : Penanya 1

Pertanyaan : Bagaimana cara mengukur pengaruh SSE (size of source effect)?

Jawaban : Dengan Sistem Pengukuran SSE dengan pendingin yang telah

dibuat, aperture bukaan dari media dapat diubah-ubah sehingga

pengaruhnya terhadap pembacaan alat dapat diketahui.