pengembangan sistem kalibrasi ear thermometer …ppi.kim.lipi.go.id/download/prosiding/2016/39....
TRANSCRIPT
PENGEMBANGAN SISTEM KALIBRASI EAR THERMOMETER
DENGAN BLACKBODY CAVITY TERBUAT DARI ALUMUNIUM DI
PUSAT PENELITIAN METROLOGI LIPI
Iip Ahmad Rifai1, Dwi Larassati2, Ghufron Zaid3
1,2,3 Pusat Penelitian Metrologi-LIPI
Gedung 420 Kompleks PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan
INTISARI
Saat ini ear thermometer telah mulai banyak digunakan di Indonesia. Sayangnya hal tersebut
belum ditunjang oleh adanya fasilitas kalibrasi yang ear thermometer, oleh karena itu untuk
menjamin ketertelusuran pengukuran suhu ear thermometer di Indonesia, dalam penelitian ini
Pusat Penelitian Metrologi LIPI mengembangkan sistem kalibrasi ear thermometer dengan
blackbody cavity terbuat dari alumunium. Telah dirancang sebuah sistem kalibrasi ear
thermometer sebagai pengembangan peralatan yang ada yang terdiri dari thermometer tahanan
platina, bak minyak silicon dan sebuah pengembangan blackbody cavity baru yang dibuat dari
bahan aluminium. Hasil pengukuran pada 5 buah ear thermometer uji pada rentang kalibrasi
35~42 C menghasilkan penyimpangan di kisaran -2 sampai 2 C. Teknik kalibrasi ear thermometer
dengan menggunakan metode yang sesuai dengan standar JIS T 4207: 2005 akan dilaporkan dalam
makalah ini.
Kata kunci: ear thermometer, blockbody, sistem kalibrasi.
ABSTRACT
Currently ear thermometer is widely used in Indonesia. Unfortunately this situation is not yet
supported by the ear thermometer calibration facility, therefore, to ensure measurement
traceability ear thermometer temperature in Indonesia, in this research LIPI Research Center for
Metrology develop ear thermometer calibration system with blackbody cavity made by aluminum.
A calibration system of ear thermometer has been designed using the existing equipment consisting
of a standard resistance thermometer, silicon oil bath and a newly developed blackbody cavity
made by aluminum. The measurement results showed that the calibration of ear thermometer in
the calibration range 35 ~ 42 ° C has produced the deviation 0.5 ~ 2.7 ° C. The ear thermometer
calibration technique according to JIS T 4207: 2005 will be reported in this paper.
Keywords: ear thermometer, blockbody, calibration system.
1. PENDAHULUAN
Suhu badan merupakan salah satu kondisi fisiologis yang digunakan oleh petugas
medis untuk menentukan kondisi pasien dimonitor setiap hari. Oleh karena itu, suhu badan
harus diukur menggunakan termometer klinik yang mempunyai akurasi yang memadai[1].
Salah satu jenis termometer klinik adalah ear thermometer yang termasuk peralatan medis
yang digunakan untuk mengetahui kondisi kesehatan seseorang dengan salah satu
parameter melalui pengukuran suhu pada pisiknya. Suhu badan manusia sehat ideal pada
36,5 ~ 37,5C, jika melebihi nilai suhu tersebut dapat dikatakan orang tersebut perlu
mendapatkan penanganan untuk menurunkan suhu badannya agar tidak berakibat lebih
fatal terhadap jiwanya.
Ear thermometer saat ini sudah sangat banyak digunakan di Indonesia, uji
kelayakan termometer klinik diatur oleh pemerintah melalui Undang-Undang RI nomor
44 tahun 2009 tentang Rumah Sakit dan peraturan perundang-undangan turunannya seperti
Permenkes nomor 363 tahun 1998[2]. Hanya saja sampai saat ini di Indonesia belum ada
fasilitas lab kalibrasi yang menunjang untuk kalibrasi ear thermometer.
Sebagai pengelola teknis ilmiah Standar Nasional untuk Satuan Ukuran (SNSU),
Subbidang Metrologi Suhu Pusat Penelitian Metrologi-LIPI, berkewajiban untuk
merealisasikan ketertelusuran pengukuran besaran suhu, yaitu dengan jalan melakukan
pemeliharaan standar dan menyediakan fasilitas kalibrasi untuk alat-alat standar suhu.
Keterselusuran (traceability) adalah suatu rantai yang tidak terputus dari beberapa
perbandingan, yang masing-masing dinyatakan dengan suatu ketidakpastian pengukuran.
Hal ini untuk memastikan bahwa suatu hasil pengukuran atau nilai dari suatu standar
terpaut dengan suatu acuan yang lebih tinggi, dan seterusnya sampai ke standar primer.
Karena saat ini di Pusat Penelitian Metrologi LIPI belum memiliki sistem kalibrasi
ear thermometer, kami pun merancang sistem menggunakan peralatan yang sudah tersedia,
berupa thermometer tahanan platina, bak minyak silikon dan digabungkan dengan
blackbody cavity yang telah dibuat dari bahan alumunium dipadukan sebagai sistem
kalibrasi ear thermometer.
2. TEORI DASAR
2.1. Ear Thermometer
IR Thermometer atau Ear Thermometer memiliki kelebihan dibanding jenis
thermometer klinik yang lain selain lebih mudah pemakaian, lebih higeinis dan akurat.
Sistem kerja dari thermometer ini mengukur emisi radiasi thermal yang dipancarkan oleh
tympanum dan ear canal. Dengan cara penggunaan memasukkan tip(sensor) thermometer
ke dalam telinga beberapa saat dan langsung mendapatkan nilai suhunya.
Sensor IR yang digunakan adalah sensor piroelectrik yang diikuti oleh konverter arus ke
tegang
lubang telinga (bukan gendang telinga), mudah digunakan, dan respon yang relatif cepat,
karena telinga memiliki kadar suhu yang lebih sensitif ketimbang organ lain. Tepatnya
pada membrane tympanic. Dimana letak membran tympanic berdekatan dengan
hypothalamus yang merupakan pengatur suhu tubuh.
Gambar 1. Skema Telinga
Gambar 2. Ear Thermometer
Cara Kerja dari gendang telinga atau membrana tympani adalah selaput atau
membran tipis yang memisahkan telinga luar dan telinga dalam. Ia berfungsi untuk
menghantar getaran suara dari udara menuju tulang pendengaran di dalam telinga tengah.
. Membran ini sendiri sukup tipis dan hampir transparan, sehingga dapat diasumsikan
membran tersebut merupakan jalur yang untuk memancarkan energi IR dari dalam tubuh,
sehingga energi yang dipancarkan oeh membran timpani dapat dianggap sebagai indikasi
dari suhu tubuh bagian dalam.
……………………………………………………….……………. (1)
Ket: Tb = suhu pasien, konstanta (= , T0
…………………………………………………………………..
(2)
Ket: A adalah area tubuh (target) efektif,
kontanta Stefan Boltzman (=5.67 x 10-8 W/m2.K4),
a = emisivitas dari sekitar (sensor), Tb adalah suhu tubuh,
Ta = suhu sensor, keduanya dalam Kelvin
2.2. Termometer Standar
Termometer tahanan platina dikenal sebagai sensor suhu yang paling teliti dan
akurat dibandingkan jenis termometer lainnya seperti termokopel, termometer cairan
dalam gelas ataupun termometer radiasi. Termometer tahanan platina bekerja berdasarkan
perubahan tahanan yang terjadi pada sensor termometer tersebut akibat dari pengaruh
perubahan suhu media /benda yang diukur.[3]
Gambar 3. Konstruksi termometer tahanan platina
Sumber Gambar: Nicholas, J.V dan D.R. White (1995)[3]
Sistem pengukuran yang lazim digunakan pada sensor termometer tahanan platina adalah
sistem pengukuran 3 kawat dan 4 kawat. Sistem pengukuran tersebut dapat
mengkompensasi terjadinya hambatan dalam pada kawat probe dan kawat platina.
Gambar 4. Sistem pengukuran 4 kawat
Berdasarkan prinsip jembatan tahanan maka sistem pengukuran 4 kawat pada termometer
tahanan platina sesuai dengan Gambar 4 dapat diuraikan dalam persamaan berikut:
Rt = R2 + (r3+r4) - (r1+r2)…………………………………………………………(3)
dengan R3 = R4
Dimana Rt adalah hambatan pada termometer tahanan platina, R2 adalah hambatan
variable yang terbaca pada indikator jembatan tahanan, dan r1, r2, r3, dan r4 adalah
hambatan dalam kawat sambungan. Pengukuran termometer tahanan pada indikator
jembatan tahanan yang optimal adalah apabila penunjukan pada R2 = Rt. Hal tersebut
dapat terjadi pada sistem 4 kawat karena pengaruh hambatan dalam pada kawat
sambungan r3 dan r4 dapat dikompensasi dengan adanya hambatan dalam pada kawat
sambungan r1 dan r2. [4]
Menurut H.L Callendar dan F.E Hoare[4], hubungan antara pengukuran tahanan
dengan suhu ditunjukan pada persamaan 4 dan 5. Persamaan tersebut disebut sebagai
persamaan Callendar van Dusen.
Untuk rentang suhu (0 ~ 630,5)°C;
)1( 20 BtAtRRt ...............................................................................................(4)
Sedangkan, untuk rentang suhu (-183 ~ 0)°C;
320 )100(1 ttCBtAtRRt ..........................................................................(5)
dengan Rt adalah nilai hambatan pada suhu dalam rentang kalibrasi selain di titik es dan
R0 adalah nilai hambatan termometer tahanan platina pada titik es. Nilai koefisien
persamaan A, dan B, C diperoleh melalui proses fitting least square (regresi). Proses
regresi menggunakan 10R
Rt sebagai ordinat dan t sebagai absis.[5]
2.3. Blackbody Cavity
Blackbody adalah permukaan ideal/teoritis yang memiliki sifat-sifat tertentu,
antara lain perfect absorber yaitu menyerap seluruh radiasi yang jatuh padanya, untuk
semua panjang gelombang dan arah datangnya radiasi. Sifat berikutnya adalah perfect
emitter, dimana pada suhu dan panjang gelombang yang sama,blackbody mengemisikan
radiasi panas lebih besar daripada benda nyata (real body). Dan yang terakhir isotropically
diffuseemitter dimana radiasi panas yang diemisikan memiliki besar yang sama pada setiap
arah pancaran [5], seperti yang diperlihatkan secara skematis pada Gambar 5.
Gambar 5. Besarnya radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi.
Karena radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi, maka radiansi spektral
ke semua arah besarnya sama sehingga nilainya hanya bergantung pada suhu dan panjang
gelombang, dan simbol radiansi diubah menjadi , dengan indeks b
menunjukan blackbody sebagai sumber radiasi panas.
Dengan menggunakan mekanika kuantum, Mac Planck telah merumuskan
hubungan antara suhu blackbody dengan radiasi panas yang diemisikannya dalam bentuk
Persamaan, seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (6) [6]:
dengan:
= panjang gelombang radiasi panas, m
T = suhu blackbody , K
Lb( ,T) = radiansi blackbody pada panjang gelombang
dan suhu T, W.m-2. m-1.str-1
c1= konstanta Planck pertama = 1.19104282.10-16 W.m2.
Merata ke semua arahTidak merata, tergantung arah
c2= konstanta Planck kedua = 0,014388 m.K = 14388 m.K
Sebagai penyerap sempurna (perfectabsorber) dan emiter sempurna (perfect
emitter), blackbody merupakan suatu radiator panas ideal.Tak ada benda lain yang
memiliki sifat yang persis sama dengan blackbody . Berdasarkan pada Persamaan (6)
untuk suatu nilai T tertentu, nilai radiansi hanya merupakan fungsi panjang gelombang
semata sehingga dapat dibuat grafik dari Persamaan (6) seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 6
Gambar 6 Grafik radiansi blackbody terhadap panjang gelombang.
Pada Gambar (6) diperlihatkan hubungan antara radiansi terhadap panjang
gelombang untuk beberapa nilai suhu. Tiap nilai suhu memiliki sebuah kurva yang
merupakan fungsi panjang gelombang, sebagai contoh blackbody dengan suhu 1300 K
atau sekitar 1027 C kurvanya meliputi daerah ultra violet, sinar tampak dan infrared,
dengan nilai radiansi maksimumnya pada sekitar panjang gelombang 2 m. Sedangkan
pada suhu 2800 K nilai radiansi maksimumnya berada pada sekitar panjang gelombang 1
m. Pada Gambar 6 terlihat bahwa semakin besar nilai suhunya maka panjang gelombang
untuk radiansi maksimum bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek.
Blackbody cavity yang telah berhasil dibuat dengan standar JIS T 4207: 2005
ditunjukan oleh Gambar 7. blackbody terbuat dari aluminium dibentuk menjadi cylindro-
conical tebal 2 mm, panjang 165mm dan circular aperture 27,5mm permukaan dicoating
(black anodize) dan effective emissivity 0,9995. Blackbody cavity ini akan digabungkan
dengan bak cairan sebagai sumber panas, bak cairan ini memiliki sistem overflow, dimana
cairan dapat didorong ke titik tertinggi bak sehingga seluruh bagian cavity tercelup oleh
cairan.
Gambar 7 . Blackbody buatan Pusat Penelitian Metrologi LIPI
2.4. Bak Cairan
Ear Thermometer bekerja pada rentang ukur 35~42C, sehingga pada system
kalibrasi dapat menggunakan media bak cairan yang suhunya dapat diatur, memiliki
kedalaman yang cukup untuk menempatkan blackbody, memiliki kestabilan dan
keseragaman pada daerah kerjanya maksimum sebesar 0,03C. Untuk mendapatkan nilai
kestabilan dan homogenitas diperlukan karakterisasi pada bak cairan,metode yang
digunakan Radial dan metode Axial, menggunakan 2 buah termometer tahanan platina
standar dan sebuah indikator yang memiliki ketelitian tinggi dan hasil ukur tertelusur ke
ITS 90.
Dan kedua sensor ditempatkan pada titik titik yang sudah ditentukan berdasarkan
bentuk dan posisi daerah kerja yang akan diukur disesuaikan dengan kontruksi black
body yang akan digunakan sebagai media radiasi ditunjukkan Gambar 8.
Gambar 8. Daerah Kerja Untuk penempatan Blackbody pada bak cairan
Ruang overflow bak cairan
Gambar 9. Bak Cairan
5. PENGUJIAN SISTEM KALIBRASI
Sistem kalibrasi ear thermometer dibangun dari peralatan yang sudah tersedia,
thermometer tahanan platina dengan ketidakpastian 0,0053 C dengan indikator standar ;
0,0024 C, bak cairan minyak silicon dan blackbody. Penempatan blackbody pada posisi
ditengah bak cairan yang daerah kerja sudah terukur dengan kestabilan 0,001 C dan
homogeneity 0,014 C , thermometer tahanan platina ditempatkan sedekat mungkin dengan
blackbody (gambar 10). Kalibrasi menggunakan metode perbandingan dimana
penunjukan thermometer standar (thermometer tahanan platina) dibandingkan dengan Ear
thermometer
Pengujian system dilakukan pada 5 buah ear thermometer dengan kode: 1/20110901593,
2/20110901592, 3/Y4299285, 4/Y4299281 dan 5/FT65. Pengambilan data kalibrasi
dilakukan pada titik 35 C, 36 C, 37 C, 38 C, 39 C, 40 C, 41 C, dan 42 C. Proses kalibrasi
mengambil 5 set pembacaan setelah suhu bak cairan stabil suhu standar (t std) dan t ear
.Set up peralatan system kalibrasi ear thermometer seperti gambar 10.
Gambar 10 . Set up Sistem Kalibrasi Ear Thermometer
Indikator Standar
Liquid Bath
Ear thermometer
SPRT
Ruang overflow bak cairan
6. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil kalibrasi Ear Thermometer menggunakan system yang dibuat ditunjukan
pada tabel 1.
Tabel 1 Hasil Pengukuran ear thermometer 1/20110901593
Tabel 2 Hasil Pengukuran ear thermometer 2/20110901592
Tabel 3 Hasil Pengukuran ear thermometer 3/Y4299285
Tabel 4 Hasil Pengukuran ear thermometer 4/Y4299281
Tabel 5 Hasil Pengukuran ear thermometer 5/FT65
Seperti telah diuraikan sebelumnya, bahwa pengembangan sistem kalibrasi ear
thermometer dengan blackbody cavity terbuat dari alumunium ini bertujuan untuk
mengalibrasi ear thermometer yang banyak digunakan untuk keperluan mengukur suhu
tubuh di bidang medis. Tabel 1, 2, 3, 4 dan 5 menunjukan hasil kalibrasi 5 buah ear
thermometer yang berbeda.
Dari tabel 1 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear thermometer 1 adalah
dari 0.8 - 2.1 °C, dari tabel 2 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear thermometer
2 adalah dari 0.5 - 1.9 °C, dari tabel 3 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear
thermometer 3 adalah dari -1.8 - 0 °C, dari tabel 4 kita dapatkan bahwa besarnya nilai
koreksi ear thermometer 4 adalah dari -1.7 – 0.2 °C, dan dari tabel 5 kita dapatkan bahwa
besarnya nilai koreksi ear thermometer 3 adalah dari -0.6 – 1.1 °C.
Hasil koreksinya dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11 . Grafik
Dari Gambar 11 dapat kita lihat bahwa koreksi hasil kalibrasi dari 5 buah ear
thermometer menyebar dikisaran -2 sampai 2 °C, Bak cairan yang digunakan sendiri
memiliki keseragaman 0.004 °C dan kestabilan 0.005 °C, sehingga dengan besarnya
sebaran nilai koreksi yang mencapai 4 °C bukan disebabkan oleh ketidakpastian bak cairan
awal. Dari analisa sistem kalibrasi yang dibuat, beberapa hal yang bisa menyebabkan
besarnya sebaran ketidakpastian yang terjadi adalah kurang sempurnanya sistem
blackbody cavity dengan cairan, sehingga saat overflow terjadi blackbody cavity tidak
selalu sempurna terendam cairan padahal blackbody cavity seharusnya selalu selalu
terendam cairan, hal itu disebabkan penempatan blackbody cavity di atas ruang overflow,
ruang overflow ini kosong sebelum bak dinyalakan dan saat bak dinyalakan overflow
terjadi namun sistem overflow ini kemungkinan tidak sempurna merendam blackbody.
6. KESIMPULAN
Ear thermometer adalah salah satu alat ukur besaran suhu yang saat ini mulai banyak
digunakan dibidang medis untuk mengukur suhu tubuh manusia, sehingga sangat penting
untuk dijaga nilai ketertelusurannya. Dalam penelitian ini telah dikembangkan sistem
kalibrasi ear thermometer yang terdiri dari thermometer tahanan platina, bak minyak
silicon dan sebuah pengembangan blackbody cavity baru yang dibuat dari bahan
aluminium. Dari pengujian terhadap 5 ear thermometer uji yang telah dilakukan
didapatkan besarnya nilai koreksi yang menyebar dikisaran -2 sampai 2 °C.
°C)
Bila dibandingkan dengan karakteristik bak cairan yang digunakan yang memiliki
keseragaman 0.014 °C dan kestabilan 0.001 °C nilai sebaran koreksi dari -2 sampai 2 °C
tersebut sangat besar, beberapa hal yang bisa menyebabkan besarnya sebaran koreksi yang
dihasilkan adalah kurang sempurnanya sistem blackbody cavity dengan cairan, sehingga
saat overflow terjadi blackbody cavity tidak selalu sempurna terendam cairan padahal
blackbody cavity seharusnya selalu selalu terendam cairan, hal itu disebabkan penempatan
blackbody cavity di atas ruang overflow, ruang overflow ini kosong sebelum bak
dinyalakan dan saat bak dinyalakan overflow terjadi namun sistem overflow ini
kemungkinan tidak sempurna merendam blackbody. Oleh karena itu deperlukan
penyempurnaan desain dari blackbody cavity yang dibuat sehingga seluruh permukaan
blackbody caity terendam pada bak cairan dengan sempurna
Dari hal tersebut diatas dapat disimpulkan bahwa sistem kalibrasi ear thermometer
dengan menggunakan blackbody cavity terbuat dari alumunium telah berhasih dibuat
hanya saja pengujian sistem kalibrasi yang dibuat belum berhasil mengukur sejauh mana
kemampuan sistem tersebut. Agar sistem kalibrasi ear thermometer dengan menggunakan
blackbody cavity terbuat dari alumunium dapat diukur kemampuannya dengan lebih
akuran, diperlukan alat acuan yang kelasnya lebih tinggi atau dilakukan uji banding sistem
pengukuran kalibrasi ear thermometer dengan laboratorium lain, baik berupa uji banding
bilateral ataupun uji banding regional.
7. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih penulis ucapkan kepada pemberi dana penelitian yaitu DIPA
Pusat Penelitian Metrologi LIPI, kepada pimpinan Pusat Penelitian Metrologi-LIPI dan
jajaran manajemen yang telah menyediakan sarana dan prasarana untuk melaksanakan
penelitian ini. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada Drs. Dede Erawan M.Sc., Ir.
Hidayat Wiriadinata M.Eng.Sc. Arfan Sindhu Tistomo, M. Eng, Rachman Soleh S.T.,
Acep Sujita dan rekan-rekan laboratorium metrologi suhu yang telah memberikan bantuan
dalam penelitian ini.
7. DAFTAR PUSTAKA
[1] OIML R 7 , Edition 1979 (E), Clinical thermometer (mercury-in-glass,with
maximum device)
[2] UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA NOMOR 44. TAHUN 2009, Tentang
Rumah Sakit
[3] Robin E. Bentley,1998. Resistance and Liquid-in-Glass Thermometry (Handbook of
[4] Temperature Measurement.Volume 2).
[5] Nicholas, J.V & White,D.R,2001. Traceable Temperature (An Introduction to
[6] Temperature Measurement & Calibration)..
[7] DeWitt, D.P. dan Gene D.Nutter.1988. Theory and Practice of Radiation
Thermometers. Singapore: John Wiley.
[8] Hartmann, Jürgen. 2010.”Blackbody And Other Calibration Sources”. Dalam M.
Zhang,
[9] Zhuomin dkk.m(Ed.), Radiometric Temperature Measurement (Fundamental). Hal.
282-283
[10] JIS T 4207: 2005 (JMIF/JSA), Infrared ear thermometer
HASIL DISKUSI
- Penanya : Rudiyono (PT. PT. Mandiri Transforma Global)
Pertanyaan : Apakah blackbody cavity ini bisa dipergunakan di bak cairan
yang di miliki lab kalibrasi ?
Jawaban : Bisa, akan tetapi diperlukan penelitian lanjutan sehingga bisa
didapatkan blackbody cavity yang memenuhi kriteria nilai
maksimum kesalahan yang diperbolehkan menurut JIS T 4207:
2005