penggunaan termokopel dalam kalibrasi climatic …
TRANSCRIPT
Penggunaan Termokopel Dalam… | 53
PENGGUNAAN TERMOKOPEL DALAM KALIBRASI CLIMATIC CHAMBER
THERMOCOUPLE USED IN CLIMATIC CHAMBER CALIBRATION Arfan Sindhu Tistomo1, Melati Azizka Fajria2, Rachman Soleh2, Dwi Larassati2 1Direktorat SNSU Termoelektrik dan Kimia, Badan Standardisasi Nasional, Gedung 420 PUSPIPTEK Setu, Tangerang Selatan 15314, Banten, Indonesia 2 Pusat Riset dan Pengembangan SDM, Badan Standardisasi Nasional, Gedung 435 PUSPIPTEK Setu, Tangerang Selatan 15314, Banten, Indonesia E-mail : [email protected]
ABSTRAK
Penggunaan climatic chamber sebagai media kalibrasi untuk proses kalibrasi
termohigrometer banyak digunakan oleh laboratorium kalibrasi di Indonesia. Kalibrasi
climatic chamber dapat mengacu kepada dokumen acuan DKD-R 5-7 yaitu menggunakan 9
sensor suhu berupa Resistance Thermometer Devices (RTD) dan 1 sensor kelembapan
berupa chilled mirror hygrometer. Makalah ini memaparkan kalibrasi cilimatic chamber
berdasar acuan tersebut dengan mengganti sensor suhu dan kelembapan.Sensor suhu yang
digunakan berupa termokopel tipe T dan sensor kelembapan berupa probe
termohigrometer.Pemilihan termokopel sebagai sensor suhu mengacu pada kondisi di
lapangan dimana termokopel masih banyak digunakan oleh laboratorium kalibrasi dalam
pengukuran suhu.Titik uji metode dilakukan pada kelembapan relatif 90 %rh pada 25 °C
dengan luas daerah kerja lebih kecil daripada volume totalnya yaitu sebesar 0,25 m × 0,24 m
× 0,4 m. Sebagai hasilnya, nilai inhomogenitas dan stabilitasnyaadalah sebesar 0,95 %rh dan
0,35 %rh. Nilai tersebut masih berada di dalam spesifikasi pabrik yaitu sebesar3,0%rh dan
2,5 %rh.
Kata kunci: climatic chamber, kalibrasi, termokopel, higrometer, ketertelusuran
ABSTRACT
The use of climatic chamber as a calibration medium for the thermohygrometer calibration
process is widely used by calibration laboratories in Indonesia. Climatic chamber
calibration may refer to the DKD-R 5-7 reference document using 9 temperature sensors in
the form of Resistance Thermometer Devices (RTD) and 1 humidity sensor in the form of a
chilled mirror hygrometer. This paper explained how to calibrate a climatic chamber based
54 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
on the reference document but different in the use of both temperature and humidity sensors.
Thermocouple is used as the temperature sensor and probe thermohygrometer is as the
humidity sensor. Thermocoupleis chosen because it is used in many calibration laboratories
to take the data measurement of temperature. The measurement was carried out at relative
humidity set point of 90%rh at 25 °Cusing working space smaller than its full volume
around 0.25 m × 0.24 m × 0.4 m. The measurement result showed that the inhomogeneity
and stability are 0.95 %rh and 0.35% rh, respectively. These values are within the factory
specification, which is 3.0 %rh 2.5 %rh.
Kata kunci: climatic chamber, calibration, thermocouple, hygrometer, traceability
1. PENDAHULUAN
Climatic chamber merupakan sebuah alat
yang memiliki ruangan dengan suhu dan
kelembaban yang dapat dikontrol.
Climatic chamber dapat digunakan
sebagai tempat penyimpanan, pengujian,
media kalibrasi dan sebagainya. Climatic
chamber digunakan sebagai tempat
penyimpanan pada industri yang bergerak
dibidang farmasi dan pangan, yaitu
sebagai tempat penyimpanan obat maupun
makanan untuk mempertahankan
mutu.Climatic chamber digunakan
sebagai alat pengujian salah satunya dapat
diketahui dari dokumen internasional
CEI/IEC 61215:2005 terkait dengan
pengujian photovoltaic module (panel
surya) yaitu untuk thermal cycling test
dan humidity-freeze test (CEI/IEC, 2005).
Sementara itu, climatic chamber sebagai
media kalibrasi digunakan oleh
laboratorium kalibrasi untuk
mengkalibrasi termohigrometer dan
termometer untuk pengukuran suhu udara
dan kelembapan (Žužek & Pušnik, 2017;
van Geel, Bosma, van Wensveen, &
Peruzzi, 2015; Heinonen, et al.,
Comparison of Air Temperature
Calibrations, 2014).
Pada penggunaannya, indikator suhu dan
kelembapan climatic chamber harus
tertelusur ke Sistem Internasional (SI)
melalui kegiatan kalibrasi sebagai jaminan
mutu produk atau jasa yang
dihasilkannya. Ada beberapa dokumen
internasional yang dapat diacu sebagai
metode baku (DKD, 2004) (Engineers,
2003). Akan tetapi fasilitas yang
digunakan di dalam contoh masing-
masing dokumen sangat mahal yaitu
menggunakan sensor suhu Pt-100
(Heinonen, et al., 2014) dan sensor
kelembapan berupa dew point
hygrometer(Bosma, Pouw, Schaik, &
Peruzzi, 2018) sehingga sedikit
laboratorium kalibrasi di Indonesia yang
dapat mengikuti skema tersebut. Sebagai
Penggunaan Termokopel Dalam… | 55
gantinya, laboratorium kalibrasi banyak
menggunakan termokopel sebagai sensor
suhu dan probe hygrometer sebagai sensor
kelembapan relatif(Abdelaziz, 2017).
Dibandingkan dengan Pt-100, termokopel
memiliki nilai keakurasian yang lebih
rendah namun termokopel juga memiliki
beberapa keunggulan diantaranya dapat
digunakan pada rentang suhu yang lebih
lebar(Pavlasek, Duris, & Palencar, 2015),
dengan waktu respon yang lebih cepat
serta harga yang relative lebih terjangkau
dibanding dengan Pt-100(Lee, 2019).
Sebagai contoh, Enzike et all( Ezike,
Alabi, Ossai, & Aina, 2018),
menggunakan termokopel tipe K untuk
pengukuran distribusi suhu dari chamber
yang dibuat. Sensor termokopel yang
dipilih adalah tipe T yang terbuat dari
coppersebagai kawat (+) dan constantan
yang terdiri dari (nickel - 45% copper)
sebagai kawat (-) bukan termokopel yang
umum digunakan seperti termokopel tipe
K yang terbuat dari chromel (nickel -
10%chromium) sebagai kawat (+) vs
Alumel (nickel - 5%aluminum and
silicon) sebagai kawat (-) (C.Hagart-
Alexander, 2010; Button, 2015).
Termokopel tipe T memiliki karakteristik
dapat digunakan pada kondisi yang
lembab, stabil dan dapat digunakan
hingga 370 ˚C (untuk meminimalkan
oksidasi pada elemen tembaga),
sedangkan karakteristik dari termokopel
tipe K yaitu memiliki rentang suhu yang
tinggi, termokopel ini dapat digunakan
hingg suhu 1260 ˚C. Selain itu, pemilihan
sensor termokopel tipe T sebagai alat ukur
suhu dikarenakan pada kelas yang sama
(base metal thermpcouple) tipe T
memiliki toleransi yang lebih baik
dibandingkan tipe K (White & Nicholas,
2001). Dari hasil penelitian yang
dilakukan oleh Castanho, nilai
inhomogenitas termokopel tipe T dan tipe
K masing masing adalah 0,06% dan
0,23%(Castanho & Baldo, 2012), dimana
nilai inhomogenitas tersebut berpengaruh
terhadap hasil pengukuran (koreksi) (Jun
& Kochan, 2014) dan memberikan
kontribusi terbesar dalam budget
ketidakpastian kalibrasi termokopel
(Abdelaziz & Edler, 2009). Hal tersebut
yang menjadi pedoman untuk
menggunakan terokopel tipe T dalam
pengukuran suhu untuk penelitian ini.
Kondisi daerah kerja yang diterapkan di
dalam studi ini adalah climatic chamber
dalam keadaan kosong atau menggunakan
unloaded /empty envorinmental
calibration method (U method). Menurut
Dona (2010), proses kalibrasi climatic
chamber menggunakan metode tersebut
memiliki beberapa kelebihan diantaranya
biaya relative murah, selain itu tidak
diperlukan penggantian sampel ketika
proses kalibrasi berlangsung dan dapan
mencakup keseluruhan daerah kerja.
56 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Namun, efek pembebanan pada metode
ini sulit diidentifikasi. Kondisi daerah
kerja selama proses kalibrasi akan
mempengaruhi nilai akibat efek
pembebanan pada saat perhitungan
ketidakpastian (Dona, 2010). Lochlainn et
al (2015), dalam penelitiannya
mendapatkan perbedaan hasil pada
pengukuran suhu dan kelembapan dalam
kalibrasi climatic chamber pada saat
daerah kerja berada dalam kondisi kosong
dan terisi yaitu sebesar 0,03 ℃ untuk
pengukuran suhu dan 0,10 %rh untuk
pengukuran kelembapan (Lochlainn, et
al., 2015)
Makalah ini memberikan gambaran
bagaimana proses kalibrasi climatic
chamber hingga menganalisa data serta
ketidakpastian pengukuran dengan
menggunakan sensor suhu termokopel dan
sensor kelembapan berupa probe
termohigrometer secara detil berdasarkan
DKD-R 5-7-2004. Tujuan penggunaan
kedua sensor tersebut adalah
menyesuaikan dengan kondisi dilapangan
dimana termokopel banyak digunakan
oleh laboratorium kalibrasi untuk
pengukuran suhu. Dengan demikian,
secara umum makalah ini dapat
digunakan sebagai acuan oleh
laboratorium kalibrasi dalam melakukan
proses hingga analisa ketidakpastian
kalibrasi climatic chamber.
2. TEORI DASAR
Menurut dokumen acuan DKD-R 5-7, di
dalam mengkalibrasi climatic chamber
dibutuhkan sensor suhu sebanyak 9 buah
untuk volume di bawah 2000 l dan 15
buah untuk volume di atas 2000 l. Sensor
suhu tersebut umumnya ditempatkan
simetris dengan acuan berada di tengah.
Percobaan ini menggunakan 9 buah
sensor termokopel, dengan posisi 1
termokopel berada di tengah dan 8 lainnya
berada pada titik sudut climatic chamber.
Selain sensor suhu, digunakan
termohigrometer untuk mengukur
kelembapan relatif.Selama pengukuran
diasumsikanabsolute humidity di dalam
climatic chambermemiliki nilai yang
seragam(DKD, 2004), sehingga dapat
diasumsikan pula nilai suhu dew point di
dalam climatic chamberjuga memiliki
nilai yangsama. Oleh karena itu, maka
dibutuhkan 1 buah termohigrometer yang
ditempatkan di tengah.
2.1. Pengukuran Suhu
Koreksi indikator suhu climatic chamber
dapat dimodelkan sebagai berikut:
∆�������� = ���� − ���� + ������� +
�������� + ����������� + ������ +
����� + �����
Dengan
���� = ������ + �����
[1]
Penggunaan Termokopel Dalam… | 57
����� = ����� + ������� + �����,���
Sebelum melakukan pengolahan data,
terlebih dahulu masing-masing
termokopel dikoreksi berdasarkan
sertifikat kalibrasinya.
����� : data rata – rata penunjukan sensor
(℃).
Didapat dengan merata-ratakan
penunjukan 9 sensor termokopel selama
periode 30 menit sebanyak minimal 30
pengulangan data
������ : koreksi dari penunjukan
termokopel(℃).
Dikarenakan penunjukan termokpel
dikoreksikan terlebih dahulu sebelum
diolah, maka nilai koreksi ini adalah 0 °C
dengan ketidakpastiannya berasal dari
sertifikat kalibrasi yang nilainya dipilih
yang paling besar diantara 9 sensor
tersebut. Distribusi ketidakpastiannya
adalah normal dengan k=2.
������� : koreksi dari perbedaan antara
sertifikat kalibrasi sekarang dengan
sebelumnya(℃).
Ketidakpastiannya diambil dari nilai drift
terbesar dari 9 sensor termokopel dan
terdistribusi kotak.
�����,��� : koreksi dari resolusi indikator
pembacaan termokopel(℃).
Ketidakpastiannya mengikuti distribusi
kotak.
���� : penunjukan suhu indicator
climatic chamber yang didapat dari rata-
rata pembacaan indikator tersebut selama
30 menit (℃).
������� : koreksi dari inhomogenitas
suhu (℃).
Sesuai dengan CEI/IEC 60068-3-5 (IEC,
2001), bahwa inhomogenitas suhu atau
variasi suhu dalam ruang adalah nilai rata
rata suhu acuan dikurangi dengan nilai
rata-rata suhu titik yang lainnya.
Ketidakpastiannya mengikuti distribusi
kotak dengan persamaan matematika
sebagai berikut:
�(�������) =1
√3× ��������� − ����[2]
dimana
����� : suhu rata-rata penunjukan
termokopel pada lokasi acuan (yang ada
di tengah) (℃).
��� : suhu rata-rata penunjukan
termokopel pada posisi i (℃).
�������� : koreksi dari stabilitas suhu
climatic chamber (℃).
Nilai ditunjukkan oleh termokopel acuan
dalam periode 30 menit.
Ketidakpastiannya dapat ditentukan
dengan persamaan berikut:
�(��������) =1
√3× ��������� − �����. [3]
dimana
58 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
��� : nilai suhu pembacaan termokopel
acuan pada data ke- i (℃).
Pada perhitungan nilai ���, jika ada 30
data pengukuran termokopel acuan, maka
ada 30 nilai �(��������) dan yang terbesar
yang diambil.
����������� : koreksi dari radiasi panas
dari dinding-dinding climatic
chamber(℃).
Ketidakpastiannya dapat ditentukan
dengan beberapa cara, salah satunya pada
pengukuran pada rentang suhu 0 °C sampi
50 °C efek radiasi dapat diasumsikan
memberikan kontribusi maksimum 0,3 K
dengan mengikuti distribusi kotak (DKD,
2004). Sehingga perhitungan
ketidakpastian karena efek radiasi dapat
mengikuti persamaan berikut :
�(�����������) =0,3
√3… … … … … … … [4]
������ : koreksi dari efek
pembebanan(℃).
Dalam studi ini kondisi climatic chamber
dalam keadaan kosong sehingga nilai
ketidakpastiannya tidak diperhitungkan.
����� : koreksi dari resolusi
pembacaan suhu indikator climatic
chamber(℃).
Besar nilai ketidakpastiannya adalah 0,5
kali digit terkecilnya dan terdistribusi
kotak.
����� : koreksi dari pengaruh
lingkungan(℃).
Pada umumnya kalibrasi climatic
chamber adalah kalibrasi di tempat
(insitu) sehingga kondisi kalibrasi dengan
kondisi operasionalnya relatif sama.
Dengan demikian pengaruh lingkungan
ini tidak signifikan dan dapat diabaikan.
2.2 Pengukuran Kelembapan Relatif
Koreksi indikator kelembapan relatif
climatic chamber dapat dimodelkan
sebagai berikut:
∆ℎ������� = ℎ��� − ℎ��� + �ℎ��� +
�ℎ����� + �ℎ������ + �ℎ���� + �ℎ��� +
�ℎ���
Sebelum melakukan pengolahan data,
terlebih dahulu termohigrometer dikoreksi
berdasarkan sertifikat kalibrasinya. Untuk
merubah titik suhu pada lokasi menjadi
titik kelembapan relatif maka persamaan
berikut digunakan (Hardy & Mutter,
1998):
ℎ� =��(��)
��(��)× 100
dimana
�� : suhu dew point yang dihitung
dari penunjukan termohigrometer(℃).
�� : suhu chamber yang didapat dari
penunjukkan setiap termokopel (℃).
……………………………..[5]
…………………[6]
Penggunaan Termokopel Dalam… | 59
��(�) : tekanan jenuh uap air yang dapat
dihitung dengan persamaan sebagai
berikut
��(�) = exp �� ������ + �����
�
���
� . [7]
Nilai koefisien-koefisien persamaan 7
dapat dilihat di (J. Nielsen).Dalam studi
ini, koefisien dari Bob Hardy digunakan.
ℎ���dari persamaan [5] mengikuti
persamaan berikut
ℎ��� = ℎ����� + �ℎ���
ℎ�����didapat dengan merata-ratakan
penunjukan 9 titik suhu yang dirubah
menjadi 9 titik kelembapan relatif selama
periode 30 menit sebanyak minimal 30
pengulangan data.
�ℎ��� = ������ + �����������
������ = ����� + ��������
��� = ������ + ���;����� + ����ℎ��
��� = ������ + �������� + ������
�ℎ�� = �ℎ��� + �ℎ����� + �ℎ���,���
�ℎ���,��� : koreksi dari resolusi indikator
pembacaan kelembapan relatif
termohigrometer dan perhitungan
ketidakpastiannya mengikuti distribusi
kotak (%rh).
���: koreksi dari dew point yang dihitung
dari penunjukan suhu dan kelembapan
relatif termohigrometer℃.
��� :koreksi suhu termohigrometer ℃.
������ : koreksi dari pengaruh suhu yang
ditunjukkan oleh termokopel ℃.
�ℎ��� : koreksi dari penunjukan
kelembapan relatif termohigrometer
(%rh).
Dikarenakan penunjukan termohigrometer
dikoreksikan terlebih dahulu sebelum
diolah, maka nilai koreksi ini adalah 0 °C
dengan ketidakpastiannya berasal dari
sertifikat kalibrasinya.
Distribusi ketidakpastiannya adalah
normal dengan k=2.
�ℎ����� : koreksi dari perbedaan antara
sertifikat kalibrasi sekarang dengan
sebelumnya (%rh). Ketidakpastian
mengikuti distribusi kotak.
�ℎ����� : koreksi dari inhomogeneitas
kelembapan (%rh). Ketidakapastiannya
diperoleh dengan menggunakan
persamaan berikut:
�(�ℎ�����) =�
√�× ����ℎ���� − ℎ���
�ℎ������ : koreksi dari stabilitas
kelembapan (%rh). Ketidakapastiannya
diperoleh dengan menggunakan
persamaan berikut:
�(�ℎ������) =�
√�× ����ℎ���� − ℎ����
dengan
ℎ�� : nilai kelembapan acuan pada data
ke- i (%rh).
Sehingga jika ada 30 data pengukuran
termokopel acuan, maka ada 30 nilai
…………....[8]
..[9]
..[10]
60 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
�(�ℎ������) dan yang terbesarlah yang
diambil.Perhitungan ketidakpastian dari
�(�ℎ������)mengikuti distribusi kotak.
�ℎ���� : koreksi dari efek pembebanan
(%rh).
Dalam studi ini kondisi climatic chamber
dalam keadaan kosong sehingga nilai
ketidakpastiannya tidak diperhitungkan.
�ℎ��� : koreksi dari resolusi
pembacaan kelembapan indikator climatic
chamber(%rh). Besar ketidakpastian
adalah 0,5 kali digit terkecilnya dan
terdistribusi kotak.
�ℎ��� : koreksi dari pengaruh
lingkungan (%rh). Pada umumnya
kalibrasi climatic chamber adalah
kalibrasi di tempat (insitu) sehingga
kondisi kalibrasi dengan kondisi
operasionalnya relatif sama. Dengan
demikian pengaruh lingkungan ini tidak
signifikan dan dapat diabaikan.
3. METODE PENELITIAN
Pada percobaan ini, sebuah climatic
chamber dengan merek ESPECdengan
tipe PWL-2KP dikalibrasi. Resolusi untuk
penunjukan suhu dan kelembapannya
adalah 0,01 °C dan 0,01 %rh.Sensor suhu
yang digunakan adalah 9 buah termokopel
tipe T dengan indikator berupa
thermometer readout Black Stack buatan
Fluke.Sensor dan indikator tersebut
dikalibrasi secara satu kesatuan
(termometer digital/ sensor suhu dengan
indikator).Sedangkan sensor kelembaban
yang digunakan adalah termohigrometer
berbentuk probe buatanFluke Hart
Scientific dengan tipe 2626-H.
Sesuai dengan dokumen acuan yang
digunakan, delapan buah sensor suhu
termokopel diletakkan di sudut yang
menjadi area kerja dari climatic
chamber.Sedangkan satu buah sensor
diletakkan di tengah dari area kerja
sebagai sensor acuan.Probe hygrometer
yang digunakan sebagai sensor
kelembapan diletakkan di tengah area
kerja berdekatan dengan sensor
suhu.Sensor kelembapan tersebut juga
sebagai sensor acuan. Satu buah sensor
kelembapan lainnya diletakkan pada titik
sudut depan (nomor 2, dalam Gambar 1)
yang berguna untuk menentukan
perbedaan suhu dew point di dalam
climatic chamber. Peletakan sensor suhu
dan kelembapan ditunjukkan pada
Gambar.1, dengan luasan area kerja yang
dikalibrasi adalah 0,25 m x 0,24 m x 0,4
m.
Suhu pada climatic chamber dikalibrasi
pada rentang 10~40˚C dengan tiitik ukur
10 ˚C , 25 ˚C , dan 40 ˚C . Selama proses
kalibrasi suhu, kelembaban relatif di
dalam climatic chamber tidak dikontrol.
Kalibrasi kelembaban untuk climatic
Penggunaan Termokopel Dalam… | 61
chamber diukur pada rentang 40~90%rh.
Titik ukur 40 %rh, 70 %rh dan 90%rh
dengan kondisi temperatur climatic
chamber berada pada suhu 25 ˚C.Titik
ukur tersebut disesuaikan dengan
kebutuhan pengguna.
Proses pengambilan data suhu dilakukan
secara otomatis dengan perangkat lunak
data akusisi sementara pengambilan data
termohigrometer dilakukan secara
manual. Data yang diambil pada masing –
masing titik ukur sebanyak 30 data
selama 30 menit(DKD, 2004; Mensah,
Min, Choi, & Yoon, 2016).
Pada kalibrasi kelembaban, suhu yang
terukur pada termokopel diubah menjadi
kelembaban relatif menggunakan
persamaan (6).Pada kalibrasi suhu dan
kelembaban, perhitungan inhomogenitas
spasial dihitung dari besarnya nilai deviasi
maksimum dari sensor yang diletakkan di
dalam climatic chamber. Sedangkan
untuk ketidakstabilan temporal dari suatu
climatic chamberdapat diukur dari variasi
temporal suhu atau kelembaban relatif
yang tercatat dari sensor acuan. Waktu
yang dibutuhkan untuk mendapatkan
ketidakstabilan temporal adalah
62 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Tabel 1. Hasil pengukuran suhu termokopel terkoreksi
No
Suhu pembacaan masing-masing termokopel (℃)
suhu
indicator
(℃)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 25,64 25,62 25,62 25,69 25,57 25,49 25,56 25,59 25,49 25,0
2 25,65 25,66 25,64 25,69 25,54 25,46 25,53 25,56 25,41 25,0
3 25,60 25,61 25,61 25,64 25,52 25,45 25,51 25,57 25,43 25,0
4 25,61 25,63 25,61 25,65 25,53 25,45 25,53 25,56 25,44 25,0
5 25,63 25,63 25,63 25,68 25,56 25,47 25,54 25,58 25,43 25,0
6 25,62 25,61 25,62 25,66 25,53 25,45 25,53 25,57 25,45 25,0
7 25,63 25,64 25,62 25,67 25,56 25,48 25,53 25,59 25,46 25,0
8 25,63 25,65 25,63 25,72 25,57 25,50 25,56 25,59 25,47 25,0
9 25,64 25,66 25,61 25,65 25,55 25,48 25,55 25,59 25,49 25,0
10 25,63 25,64 25,62 25,66 25,55 25,47 25,54 25,57 25,46 25,0
11 25,62 25,62 25,61 25,63 25,53 25,44 25,53 25,57 25,44 25,0
12 25,59 25,61 25,60 25,64 25,53 25,45 25,52 25,59 25,48 25,0
13 25,63 25,62 25,62 25,68 25,56 25,48 25,56 25,60 25,49 25,0
14 25,65 25,64 25,64 25,66 25,56 25,47 25,53 25,57 25,47 25,0
15 25,62 25,63 25,60 25,67 25,51 25,43 25,52 25,55 25,44 25,0
16 25,64 25,64 25,62 25,67 25,55 25,48 25,55 25,57 25,44 25,0
17 25,62 25,61 25,59 25,67 25,56 25,47 25,53 25,57 25,49 25,0
18 25,63 25,65 25,64 25,72 25,58 25,52 25,59 25,62 25,49 25,0
19 25,64 25,67 25,65 25,70 25,56 25,49 25,57 25,58 25,47 25,0
20 25,61 25,62 25,62 25,67 25,55 25,50 25,58 25,62 25,53 25,0
21 25,65 25,65 25,64 25,68 25,57 25,49 25,58 25,59 25,47 25,0
22 25,63 25,61 25,62 25,67 25,54 25,46 25,53 25,57 25,45 25,0
23 25,59 25,63 25,62 25,68 25,57 25,49 25,54 25,58 25,47 25,0
24 25,63 25,65 25,62 25,66 25,51 25,43 25,51 25,54 25,40 25,0
25 25,59 25,61 25,60 25,61 25,47 25,38 25,47 25,52 25,39 25,0
26 25,59 25,58 25,57 25,63 25,51 25,37 25,46 25,49 25,32 25,0
27 25,56 25,55 25,53 25,56 25,45 25,38 25,46 25,54 25,42 25,0
28 25,62 25,64 25,62 25,62 25,52 25,42 25,51 25,56 25,41 25,0
29 25,59 25,60 25,60 25,62 25,49 25,40 25,48 25,52 25,39 25,0
30 25,61 25,63 25,61 25,60 25,53 25,42 25,51 25,55 25,42 25,0
Penggunaan Termokopel Dalam… | 63
pengambilan data selama periode waktu
kurang lebih 30 menit setelah stabil(DKD,
2004; Mensah, Min, Choi, & Yoon,
2016).
Gambar 1. Ilustrasi setup pengukuran suhu dan kelembapan
climatic chamber
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Pengukuran Suhu
Hasil pengukuran suhu pada titik ukur 25
°C dan 90 %rh adalah seperti tampak
pada Tabel 1.
Berdasarkan data tersebut, maka
informasi yang kita butuhkan dapat
ditentukan seperti tampak pada Tabel 2.
Sedangkan analisa ketidakpastian
disajikan dalam Tabel 3.
Tabel 2.Analisa data.
posisi rata-rata
(oC)
stabilitas
(oC) inhomogeneitas, oC
1 (acuan) 25,62
0,06
0,00
2 25,63 0,01
3 25,61 0,01
4 25,66 0,04
5 25,54 0,08
6 25,46 0,16
7 25,53 0,09
8 25,57 0,05
9 25,45 0,17
Tabel 3. Komponen ketidakpastian pada titik ukur 25 °C Sumber
Ketidakpastian Simbol
Distribu
si
U
(°C) k
u
(°C)
Sertifikat Standar δTcal Normal 0,18 2,00 0,088
Drift Standar δTdrift Kotak 0,02 1,73 0,010
Dari pengukuran Tstd Normal 0,08 16,43 0,005
Linearitas Standar δTlin Normal 0,00 1,00 0,00
Resolusi δTres,std Kotak 0,01 1,73 0,003
Efek Radiasi δTradiation Kotak 0,30 1,73 0,17
Inhomogenitas δTInhom Kotak 0,17 1,73 0,10
Stabilitas δTinstab Kotak 0,06 1,73 0,035
Daya baca indikator δTres Normal 0,005 1,73 0,003
Stabilitas indikator Tind Normal 0,00 5,48 0,00
U adalah ketidakpastian gabungan, kadalah pembagi; u adalah ketidakpastian standard
64 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Komponen sumber ketidakpastian berupa
linearitas standardidapatkan dari koreksi
kalibrasi standar suhu berupa
termokopel.Nilai tesebut merupakan hasil
interpolasi dari nilai koreksi kalibrasi
masing-masing termokopel.Sedangan
nilai stabilitas indikator didapatkan dari
nilai kestabilan penunjukan indikator
climatic chamber selama pengkuran
berlangsung.Dari keseluruhan komponen
ketidakpastian yang dijabarkan pada
Tabel 3, didapatkan nilai ketidakpastian
gabungan untuk kalibrasi suhu climatic
chamberpada daerah kerja 0,25 m x 0,24
m x 0,40 m adalah U = 2 x 0,22 °C ≈ 0,44
°C.
Karaktertistik suatuclimatic chamber yang
dikalibrasi dapat diketahui dari nilai
inhomogenitas dan stabilitasnya.Mengacu
pada Tabel 2, hasil pengukuran
didapatkan nilai stabilitas dan
inhomogenitas dari climatic chamber
sebesar 0,17 °C dan 0,06 °C dengan
daerah kerja yang dikalibrasi sebesar
0,024 m3 . Untuk melihat apakah metode
yang digunakan memenuhi kebutuhan,
maka perbandingan antara hasil
pengukuran dengan spesifikasi climatic
chamber dilakukan.
Bob Hardy (Hardy, 1998) memberikan
gambaran bagaimana melakukan
perbandingan tersebut, yaitu dengan
memperhitungkan komponen akurasi alat
yang digunakan untuk menentukan
inhomogenitasnya sesuai dengan
persamaan berikut:
����������� = ������� + ��(�)
Besarnya nilai dari MaxDev didapatkan
dari
±0,5 ����������� − �����������
dimana nilai yang dihitung merupakan
nilai maksimal dan nilai minimum dari
rata-rata pengukuran suhu. Selisih nilai
maksimum dan minimum tersebut dalam
hal ini sama dengan inhomogenitas
pengukuran.
��(�)adalah ketidakpastian akibat akurasi
sensor suhu yang digunakan.
Ketidakpastian ini dihitung dari sertifikat
standar, drift standar, pengukuran
berulang standar, resolusi, serta kestabilan
temporalnya.
Mengikuti perhitungan menggunakan
persamaan 11, didapatkan nilai hasil
perhitungan untuk nilai uniformity adalah
0,2 °C. Nilai tersebut masuk ke delam
spesifikasi alat berdasarkan keluaran
spesifikasi pabrik yaitu 0,5 °C. Dengan
demikian, metode kalibrasi suhu dari
climatic chamber menggunakan
termokopel dapat diterapkan.
[11]
Penggunaan Termokopel Dalam… | 65
b. Pengukuran Kelembapan
Besarnya nilai kelembapan pada setiap
titik ukur didapatkan dari pengukuran
suhu dengan menggunakan terrmokopel
yang kemudian diubah menjadi nilai
kelembapan dengan menggunakan
persamaan (6).
Pada makalah ini, penulis menampilkan
pengukuran kelembapan pada pada titik
ukur 90 %rh selama 30 menit. Nilai
kelembapan relatif yang terukur dari 9
buah sensor disajikan dalam table 4.
Tabel 4. Hasil pengukuran kelembapan climatic chamber
No
Pembacaan kelambapan pada masing-masing termokopel (%rh) Indikator Probe Thermohigrometer
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Suhu
(˚C) %rh
suhu
1
(˚C)
%rh
1
suhu
2
(˚C)
%rh 2
1 87,89 87,96 87,96 87,58 88,23 88,68 88,30 88,11 88,67 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,59
2 87,77 87,76 87,86 87,60 88,38 88,79 88,42 88,26 89,03 25,00 90 25,84 84,27 25,91 84,59
3 88,05 88,03 88,00 87,83 88,47 88,86 88,54 88,24 88,96 25,00 90 25,84 84,28 25,90 84,59
4 87,99 87,91 87,99 87,80 88,41 88,82 88,43 88,27 88,88 25,00 90 25,84 84,27 25,91 84,59
5 87,93 87,89 87,90 87,65 88,26 88,74 88,36 88,19 88,96 25,00 90 25,84 84,28 25,91 84,60
6 87,99 88,04 87,98 87,76 88,43 88,87 88,46 88,22 88,87 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,61
7 87,90 87,88 87,96 87,71 88,30 88,69 88,43 88,14 88,82 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,60
8 87,90 87,84 87,90 87,43 88,21 88,61 88,30 88,14 88,73 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,60
9 87,86 87,77 88,04 87,81 88,32 88,73 88,34 88,12 88,68 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,59
10 87,90 87,89 87,99 87,76 88,36 88,76 88,39 88,21 88,83 25,00 90 25,84 84,29 25,91 84,59
11 88,07 88,07 88,12 88,01 88,55 89,01 88,51 88,30 89,00 25,00 90 25,84 84,36 25,92 84,69
12 88,28 88,18 88,26 88,02 88,58 89,01 88,63 88,30 88,89 25,00 90 25,85 84,38 25,92 84,70
13 88,09 88,06 88,12 87,79 88,43 88,83 88,44 88,24 88,82 25,00 90 25,85 84,37 25,92 84,70
14 87,97 88,00 88,02 87,89 88,43 88,88 88,59 88,38 88,90 25,00 90 25,85 84,36 25,92 84,69
15 88,13 88,08 88,20 87,86 88,67 89,09 88,65 88,46 89,06 25,00 90 25,85 84,36 25,92 84,68
16 87,91 87,92 88,01 87,75 88,37 88,79 88,40 88,29 88,97 25,00 90 25,84 84,34 25,92 84,67
17 88,02 88,06 88,16 87,74 88,31 88,80 88,47 88,26 88,72 25,00 90 25,84 84,33 25,91 84,67
18 87,95 87,86 87,93 87,51 88,19 88,55 88,15 88,01 88,69 25,00 90 25,84 84,32 25,91 84,66
19 87,90 87,76 87,88 87,58 88,29 88,71 88,29 88,20 88,80 25,00 90 25,84 84,32 25,90 84,65
20 88,09 88,01 88,03 87,78 88,38 88,67 88,24 87,99 88,48 25,00 90 25,84 84,33 25,91 84,66
21 87,87 87,83 87,92 87,67 88,25 88,71 88,22 88,15 88,78 25,00 90 25,84 84,32 25,91 84,66
22 87,95 88,09 88,05 87,78 88,44 88,85 88,47 88,27 88,93 25,00 90 25,84 84,33 25,91 84,67
23 88,19 87,97 88,01 87,68 88,29 88,71 88,42 88,24 88,81 25,00 90 25,84 84,33 25,91 84,68
24 88,00 87,89 88,06 87,85 88,60 89,06 88,61 88,46 89,20 25,00 90 25,84 84,36 25,91 84,68
25 88,21 88,10 88,13 88,10 88,84 89,28 88,85 88,58 89,23 25,00 90 25,84 84,35 25,91 84,69
26 88,20 88,30 88,32 88,02 88,65 89,37 88,92 88,75 89,64 25,00 90 25,84 84,37 25,91 84,68
27 88,37 88,44 88,50 88,35 88,93 89,32 88,88 88,48 89,12 25,00 90 25,84 84,36 25,92 84,68
28 88,06 87,94 88,05 88,08 88,61 89,11 88,62 88,37 89,17 25,00 90 25,84 84,37 25,92 84,68
29 88,19 88,13 88,15 88,16 88,70 89,18 88,74 88,53 89,25 25,00 90 25,84 84,34 25,91 84,66
30 88,01 87,92 88,03 87,83 88,42 89,01 88,52 88,35 89,00 25,00 90 25,83 84,32 25,91 84,65
Tabel 4 merupakan hasil pengukuran
kelembapan pada sembilan titik ukur di
dalam chamber menggunakan
termokopel. Dari data tersebut
kemudian didapatkan informasi nilai
stabilitas dan inhomogenitas dari
chamber yang dijabarkan pada table 5.
66 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Tabel 5.Analisa data.
posisi rata-rata
(%rh)
stabilitas
(%rh)
inhomogeneitas,
(%rh)
1
(acuan) 88,02
0,35
0,00
2 87,99 0,04
3 88,05 0,03
4 87,81 0,21
5 88,44 0,42
6 88,88 0,86
7 88,49 0,46
8 88,28 0,26
9 88,93 0,91
Data pada table 5 merupakan nilai
stabilitas dan inhomogenitas dari
chamber yang didapatkan. Komponen
ketikapastian pada kalibrasi chamber
disusun sebagai berikut :
Tabel 6. Komponen ketidakpastian pada titik ukur 90%rh
Sumber Ketidakpastian
Simbol Distribusi U
(%rh) k
u (%rh)
Sertifikat Standar δTcal Normal 0,75 1 0,75
Dari pengukuran Tstd Normal 0,42 16,43 0,03
Resolusi δTres,std Kotak 0,01 1,73 0,003
Akurasi Sensor Suhu δTakurasi Normal 0,50 1,00 0,50
Inhomogenitas δTInhom Kotak 0,91 1,73 0,52
Stabilitas δTinstab Kotak 0,35 1,73 0,20
Daya baca indikator δTres Normal 0,5 1,73 0,29
Stabilitas indikator Tind Normal 0,00 5,48 0,00
kadalah pembagi; u adalah ketidakpastian standard
Besarnya ketidakpastian untuk
kelembapan relatif pada kalibrasi climatic
chamber adalah sebesar U = 2 x 1,1%rh ≈
2,2 %rh.
Dari hasil pengukuran didapatkan
besarnya nilai inhomogenitas dan
stabilitas kelembapan relatif dari climatic
chamber adalah sebesar 0,91%rh dan 0,35
%rh. Berdasarkan spesifikasi alat tersebut
Penggunaan Termokopel Dalam… | 67
diketahui bahwa besarnya nilai
inhomogenitas dan stabilitas adalah
3,0%rh dan 2,5 %rh. Dengan
memperhatikan akurasi sensor yang
digunakan, yaitu penggunaan termokopel
sebagai pengukur kelembapan maka
dilakukan perhitungan koreksi dengan
menggunakan persamaan (10) dan (11).
Dari hasil perhitungan tersebut didapatkan
nilai inhomogenitas kelembapan relative
untuk climatic chamber adalah sebesar
0,95 %rh. Perbandingan hasil yang
diperoleh dengan spesifikasi alat bawaan
dari pabrik untuk ini sementara menjadi
kajian validasi metode yang paling
memungkinkan. Dengan demikian dapat
disimpulkan bahwa metode dan peralatan
ukur yang digunakan, baik termokopel
tipe T sebagai alat ukur suhu maupun
probe hygrometer sebagai alat ukur
kelembapan, masih dapat memberikan
output nilai homogentas dan stabilitas
climatic chamber yang sesuai dan berada
dalam range spesifikasi alat.
Pada pengukuran, volume daerah kerja
yang dikalibrasi lebih kecil dibandingkan
dengan volume total dari chamber.
Memperkecil daerah kerja yang
dikalibrasi bertujuan untuk mendapatkan
nilai inhomogenitas dan stabilitas yang
kecil, karena kedua nilai tersebut berperan
dalam komponen ketidakpastian kalibrasi
termohigrometer menggunakan media
climatic chamber. Dengan memperkecil
volume daerah kerja dan didapatkan nilai
stabilitas dan inhomogenitas chamber
masih berada dalam spesifikasi alat
sehingga diharapkan laboratorium dapat
memberikan nilai CMC yang terbaik.
Selain itu pengurangan volume daerah
kerja dilakukan dengan pertimbangan
bahwa termokopel tipe T yang digunakan
sebagai sensor suhu tidak memiliki
pefroma sebaik Pt-100 atau RTD.
Sensor suhu yang digunakan pada
kalibrasi climatic chamber ini adalah
termokopel tipe T, dimana besarnya
akurasi termokopel dibawah akurasi
pt100.Digunakan termokopel sebagai
sensor suhu dalam kalibrasi climatic
chamber ini adalah karena minimnya
pt100 yang dimiliki (9 buah sensor
suhu).Namun, dari hasil pengukuran yang
dilakukan nilai yang didapatkan dengan
menggunakan termokopel type T ini
sudah cukup untuk memenuhi nilai yang
diinginkan. Hal tersebut dibuktikan
dengan karakteristik climatic chamber
yang didapatkan dari hasil pengukuran
yaitu inhomogenitas dan stabilitas.Nilai
inhomogenitas dan stabilitas yang
didapatkan dengan pengukuran
mengunakan termokopel masih berada
dalam rentang spesifikasi dari alat.
Dengan demikian hasil kalibrasi yang
diperoleh dengan menggunakan sensor
68 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
suhu berupa termokopel dapat digunakan
untuk proses kalibrasi climatic chamber.
Untuk pengetahuan lebih lanjut dapat
dilakukan pengukuran menggunakan
keseluruhan ruangan chamber dan apabila
peralatan memadai, maka sensor
termokopel dapat diganti dengan
menggunakan Pt 100. Hasil yang
didapatkan dapat dibandingkan sebagai
referensi laboratorium dalam proses
kalibrasi selanjutnya. Selain itu untuk
validasi lebih mendalam terhadap metode
ini pada penelitian selanjutnya, dapat
dilakukan validasi sesuai rekomendasi
17025 seperti uji banding antar
laboratorium kalibrasi (UBLK) maupun
validasi dengan metode baku lainnya.
5. KESIMPULAN
Kalibrasi climatic chamber yang
dilakukan dengan menggunakan
termokopel tipe T dan probe
termohigrometer terbukti dapat memenuhi
kebutuhan laboratorium sebagai peralatan
standar kalibrasi climatic chamber yang
dibuktikan dengan nilai inhomogenitas
yang masih di dalam spesifikasi
pabriknya.
Hal yang perlu diperhatikan adalah ruang
kerja (working space) yang dikalibrasi
memiliki volume yang lebih kecil
daripada volume ruang seluruhnya.Hal ini
dilakukan dengan pertimbangan bahwa
termokopel tipe T tidak sebaik Pt-100 atau
RTD.Sehingga diperlukan penelitian
lanjutan guna mengetahui sejauh mana
metode ini dapat diterapkan yang terkait
dengan volume ruang kerja.
Diharapkan hasil yang didapatkan dari
kalibrasi climatic chamber ini dapat
menjadi acuan bagi laboratorium kalibrasi
lainnya yang menggunakan climatic
chamber sehingga dapat mengkalibrasi
dan mengkarakterisasi peralatan mereka
secara mandiri. Selain itu laboratorium
dapat menyesuaikan kebutuhan dengan
mengatur daerah kerja yang akan
digunakan.
6. UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih kepada Direktorat
SNSU – BSN, khususnya pada
Subdirektorat SNSU Suhu untuk
dukungan fasilitas peralatan laboratorium
hingga data untuk tulisan ini dapat
diperoleh. Selain itu kepada Bapak
Effendi dalam kerjasamanya membantu
mengumpulkan data kalibrasi climatic
chamber sehingga tulisan ini dapat
diselesaikan dengan baik.
DAFTAR PUSTAKA Ezike, S. C., Alabi, A. B., Ossai, A. N., &
Aina, A. O. (2018). A Low-Cost Temperature-Controlled Chamber. MDPI.
Abdelaziz, Y. A. (2017). Low Cost Humidity/Temperature Calibration
Penggunaan Termokopel Dalam… | 69
System. Journal of Scientific and Engineering Research, 305-311 .
Abdelaziz, Y. A., & Edler, F. (2009). A Method for Evaluation of the Inhomogeneity of Thermoelements. Measurement Science and Technology.
Bosma, R., Pouw, R., Schaik, v. W., & Peruzzi, A. (2018). Climatic chamber for dew-point up to 150 C. Metrologia, 597–608.
Button, V. L. (2015). Temperature Transducers. In V. L. Button, Principles of Measurement and Transduction of Biomedical Variables (pp. 101-154). London: Academic Press.
C.Hagart-Alexander. (2010). Temperature Measurement. In W. Boyes, Instrumentation Reference - Fourth Edition (pp. 269-326). Burlington: Butterworth-Heinemann.
Castanho, M. A., & Baldo, C. R. (2012). A Study of Inhomogeneities of Thermocouples and Its Contribution to The Calibration Uncertainty Calculus. IMEKO (pp. 408-411). Busan: IMEKO.
CEI/IEC. (2005). INTERNATIONAL STANDARD CEI/IEC 61215 Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) module - Design qualification and type approval.
DKD. (2004). Guideline DKD-R 5-7 Caliration of CLimatic Chambers. Accredited Body of the Deutscher Kalibrierdienst (DKD).
Dona, M. L. (2010). Methods of Calibration and Characterization of Temperature Controlled Environments. Scientific Bulletin-University Politehnica of Bucharest, pp. 197-210.
Engineers, T. S. (2003). A GUIDE TO CALCULATING THE UNCERTAINTY OF THE PERFORMANCE OF ENVIRONMENTAL CHAMBERS.
The Society of Environmental Engineers.
Hardy, B. (1998). Chamber Temperature Uniformity Analysis of the Thunder Sceintific Model 2500 Two-Pressure Humidity Generator. Thunder Scientific Corporation .
Hardy, B., & Mutter, D. (1998). Relative Humidity Undertainty Analysis using Dew/Frost Point Measurements. RH System.
Heinonen, M., Anagnostou, M., Bartolo, J., & Bell. (n.d.). Comparison of Air Temperature Calibration, Final Report. Retrieved from EURAMET: https://www.euramet.org/Media/docs/projects/EURAMET-P1061_THERM_Final_Report_v4_MH111113.pdf
Heinonen, M., Anagnostou, M., Bartolo, J., Bell, S., Benyon, R., & Bergerud, R. (2014). Comparison of Air Temperature Calibrations. Int J Thermophys 35, 1251-1272.
IEC. (2001). INTERNATIONAL STANDARD CEI/IEC 600068-3-5 Supporting Documentation and Guidance-Confirmation of the P erformance of Temperature Chamber.
J, N., Lovell-Smith, J., De Groot, M., & Bell, S. (2005). Uncertainty in The Generation of Humidty. Retrieved December 2018, from lmk.fe.uni-lj.si/euromet_t/CCT03-20.pdf
Jun, S., & Kochan, O. (2014). Investigation of Thermocouple Drift Irregularity Impact on Error of Their Inhomogeneity Correction. Measurement Science, 29-34.
Lee, H. L. (2019). Advantages and Disadvantages of Using Thermocouples. Retrieved from SCIENCING: https://sciencing.com/thermistors-work-4709009.html
70 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Lochlainn, D. M., White, M., Wetttstein, S., Farley, R., Aicken, C., & Gee, R. (2015). A Comparison of Climatic Chamber Hygrothermal Characterization Techniques ad Described in IEC60068. International Journal of Thermophysics, 2199-2214.
Mensah, K., Min, Y. B., Choi, J. M., & Yoon, S. B. (2016). Study on the Performance of a Temperature and Humidity Chamber. Hanbat National University.
Pavlasek, P., Duris, S., & Palencar, R.
(2015). Base Metal Thermocouple Drift Rate Dependence From Thermoelement Diameter. IMEKO. Madeira: IOP Publishing.
van Geel, J. W., Bosma, R., van Wensveen, J., & Peruzzi, A. (2015). Thermistor Used in Climatic Chamber at High Temperature and Humidity. International Journal Of Thermophysics, 569-576.
White, & Nicholas, J. V. (2001). Traceable Temperature. Jhon Wiley & Sons Ltd.
Žužek, V., & Pušnik, I. (2017). Calibration of Air Thermometers in a Climatic Chamber and Liquid Baths. International Journal of Thermophysics , 38:100.