METODE INTERMEDIATE CHECK UNTUK STANDARD TEKANAN PRESSURE BALANCE Rudi Anggoro S. Pusat Penelitian Kalibrasi, Instrumentasi dan Metrologi – LIPI Kawasan Puspiptek Gedung 420, Serpong, Tangerang 15314 Email :
[email protected] INTISARI Pressure balance merupakan instrument yang paling umum digunakan sebagai standar tekanan. Sesuai dengan rekomendasi yang berlaku, umumnya massa rekalibrasi untuk pressure balance adalah 5 tahun. Untuk menyakini nilai standar masih dengan sesuai sertifikat kalibrasi dalam rentang waktu tersebut, maka diperlukan suatu prosedur kontrol untuk memonitor kestabilan nilai dari standard tersebut yang dilakukan secara berkala yang lebih dikenal dengan intermediate check. Pada penelitian ini diajukan sebuah metode intermediate check untuk pressure balance menggunakan pressure balance lain sebagai cek standarnya. Metode ini berdasar kesesuaian luasan efektif area cek standar yang diukur dengan menggunakan 2 buah standar tekanan pressure balance. Dari hasil percobaan yang dilakukan pada 2 jenis pressure balance standar, hydraulic dan pneumatic, didapatkan perbedaan hasil ukur relatif dari 2 standar pneumatic pressure balance sebesar 0.0005% dengan ketidakpastian relatifnya 0.0052%, sedangkan untuk hydraulic pressure balance perbedaan hasil ukur relatif adalah 0.0035% dengan ketidakpastian relatifnya 0.0086%. Kata Kunci: Pressure balance, Intermediate check dan Kesesuaian luasan area.
ABSTRACT Pressure balance is the most commonly used instrument as pressure standard. According to the appropriate recommendation, common recalibration times for pressure balance are 5 years. To ensure the value of standard still confirm with certificate statement, control procedure, which done periodically for monitoring the stability of value of standard, which commonly known by intermediate check is needed. In this experiment describes intermediate check propose method for pressure balance using another test pressure balance as standard check. This method base on conformity of check standard effective area which measured by using 2 pressure balance standard. From the experiment have done onto two types of standard pressure balances; hydraulic and pneumatic, achieved relatif differences measurement result between 2 pneumatic pressure balance standard 0.0005% with relatif uncertainty 0.0052%, while in hydraulic pressure balance the relatif differences measurement result was 0.0035% with relatif uncertainty 0.0086%. Keywords: Pressure balance, intermediate check and Effective area conformity.
PPI KIM 2009
1
PENDAHULUAN Laboratorium tekanan KIM-LIPI bertanggung jawab atas pemeliharaan standar
nasional, menyediakan kebutuhan ketertelusuran peralatan ukur tekanan dan juga mereview dan mengembangkan metode yang digunakan dalam kalibrasi alat ukur tekanan. Saat ini KIM-LIPI mampu menyediakan kebutuhan ketertelusuran alat ukur tekanan dengan rentang tekanan berkisar antara 10 kPa sampai dengan 7 MPa untuk tekanan gauge dan absolute pada medium gas dan 5 MPa sampai dengan 500 MPa untuk tekanan gauge pada medium oli [7]. Standar tertinggi yang digunakan di Laboratorium tekanan KIM-LIPI adalah pressure balance atau sering disebut juga Dead Weight Tester. Pressure balance terdiri dari piston–silinder (P/C) dan massa pembeban sebagai bagian utamanya. Dengan menaikkan sejumlah massa pembeban keatas P/C, maka akan didapatkan tekanan yang diinginkan. Sejumlah instrumen tekanan yang dapat dikalibrasi dengan pressure balance standar ini antara lain: test gauge, pressure gauge, pressure tranduser, pressure transmiter dan barometer. Masa rekalibrasi untuk pressure balance pada umumnya adalah 5 tahun. Sesuai dengan ISO 17025, 5.9 tentang ”Jaminan kualitas hasil uji dan kalibrasi”. Laboratorium seharusnya memiliki prosedur kontrol kualitas untuk memonitor validitas dari hasil tes dan kalibrasi yang telah dilakukan, dan hasilnya direkam dengan suatu cara yang didukung teknik statistik tertentu sedemikian sehingga dapat menunjukkan suatu pola yang dapat digunakan sebagai dasar analisis [4][5]. Beragam
cara
direkomendasikan,
diantaranya
mempergunakan
standar
sekunder, mengikuti uji banding, melakukan validasi menggunakan metode lain, dan lain sebagainya, yang dirasa paling tepat berdasarkan beban dan jenis pekerjaan. Dalam paparan ini akan dijelaskan tentang metode intermediate check untuk pressure balance standar berdasar kesesuaian penunjukkan hasil ukur antara 2 pressure balance standar terhadap cek standarnya. Selain itu batasan keberterimaan atas hasil pengukurannya yang menunjukkan kualitas standar pressure balance. Dari hasil percobaan dan analisisnya, metode intermediate check ini dapat dan akan diterapkan di Laboratorium tekanan puslit KIM-LIPI.
PPI KIM 2009
2
DASAR TEORI Pressure balance merupakan suatu instrumen yang menggunakan piston silinder
sebagai bagian utamanya untuk merepresentasikan suatu luasan tertentu dan massa pembeban untuk menghasilkan gaya sehingga dapat merealisasikan definisi dari tekanan [1]. Tekanan yang dihasilkan pressure balance ini secara sederhana didefinisikan sebagai: P=
F A
…(1)
dengan F merupakan gaya yang dihasilkan oleh massa yang bekerja pada medan gravitasi lokal dan A adalah luasan efektif yang direpresentasikan oleh luasan pistonsilinder P/S [3]. Banyak faktor yang mempengaruhi hasil pengukuran dengan menggunakan pressure balance, sehingga secara detail, persamaan yang menggambarkan besarnya tekanan yang dihasilkan pressure balance p adalah sebagai berikut:
ρa ) g + V ( ρ f − ρa ) ρm p= ( A0, 20 )(1 + bpn ) (1 + α [T − 20] ) M (1 −
…(2)
dengan M adalah massa total beban, (1- ρa/ρm) adalah efek buoyancy udara dengan ρa merupakan densitas udara dan ρm
adalah densitas beban. Gravitasi lokal dimana
pengukuran dilakukan dilabangkan dengan g. V merupakan notasi untuk volume buoyancy piston dengan ρf adalah densitas dari pressure medium. Sedangkan suku suku penyebutnya terdiri dari; A0,20 yang merupakan luasan P/S pada tekanan 0 dan suhu 20oC, b dan α adalah koefisien distorsi dan koefisien termal P/S, dan T merupakan suhu P/S saat beroperasi [2]. Metode yang paling umum digunakan untuk melakukan kalibrasi alat ukur tekanan dengan standar pressure balance adalah metode direct comparisson. Metode ini dilakukan dengan menghubungkan pressure balance standar dan alat ukur tekanan yang akan di kalibrasi. Alat ukur tekanan yang umum di kalibrasi menggunakan pressure balance adalah test gauge, pressure gauge, pressure tranduser, pressure transmiter dan barometer. Intrument intrumen tersebut dikalibrasi pada pada beberapa titik tekanan
PPI KIM 2009
yang bervariasi dalam rentang kemampuannya. Titik titik tekanan ini didapatkan dengan mengatur mass pembeban yang dinaikkan atau diturunkan dari atas P/S pressure balance. Untuk kelas yang lebih tinggi skala laboratorium kalibrasi, pressure balance juga digunakan sebagai standar untuk kalibrasi pressure balance lain, yang hasilnya berupa parameter parameter pressure balance yaitu, luasan efektif piston, koefisien distorsi dan massa residual P/S.
3
METODE Intermediate cek ini dilakukan sebagai jaminan kesesuaian kualitas standar sesuai dengan yang dinyatakan dalam sertifikat. Pressure balance mempunyai parameter parameter yang merupakan karakteristik dari pressure balance tersebut, antara lain: luasan efektif, koefisien distorsi dan massa residual. Untuk itu pada metode intermediate cek yang dijelaskan ini menggunakan pengamatan yang didasarkan pada luasan efektifnya. Pada metode ini dibutuhkan 1 piston tes yang nantinya digunakan sebagai media cross cek bagi piston standar. Bahan kajiannya berupa conformity cek antar piston standard dalam mendapatkan luasan efektif piston tes pada suhu acuan (20oC) dan pada titik acuan tekanan yang sama dari beberapa piston standar yang berbeda. Dalam penelitian ini, dicoba pada 2 jenis pressure balance yang berbeda baik pneumatic maupun hydraulic pressure balance. Pada pneumatic pressure balance digunakan Pressure balance DHI PG7601, yang mempunyai 2 piston gauge 10 kPa/kg dan 200 kPa/kg yang masing – masing mempunyai kapasitas maksimum 350 kPa dan 7 MPa. Tes piston yang digunakan adalah Bell & Howell – mid piston – milik laboratorium tekanan yang mempunyai kapasitas maksimum 350 kPa. Pengamatan dilakukan pada luasan efektif area dari cek standar piston pada suhu 20OC dan pada titik acuan yang sama yaitu 350 kPa, seperti ilustrasi berikut (gambar 1.);
PPI KIM 2009
Max 7MPa Piston STD 1
5%FS A(350kPa,20 U1
Equivalent pressure reference (0.35 MPa)
o C)1
Piston TES
Max 0.35MPa Piston STD 2
100%FS A(350kPa,20 U2
o C)2
Gambar 1. intermediate cek untuk pneumatic pressure balance PG 7601 Pada hydraulic pressure balance digunakan Pressure balance RUSKA 2485, yang mempunyai 3 piston gauge (digunakan 2 diantaranya), yang masing – masing mempunyai kapasitas maksimum 5 MPa dan 50 MPa. Tes piston yang digunakan adalah BUDENBERG – low piston – milik customer yang mempunyai kapasitas maksimum 6 MPa. Pengamatan dilakukan pada luasan efektif area dari cek standar piston pada suhu 20OC dan pada titik acuan yang sama yaitu 5 MPa, seperti ilustrasi berikut (gambar 2); Max 5 MPa Piston STD 1
100%FS A(5MPa,20 U1
Equivalent pressure reference (5 MPa)
o C)1
Piston TES
Max 50 MPa Piston STD 2
10%FS A(5MPa,20 U2
o C)2
Gambar 2. intermediate cek untuk hydraulic pressure balance RUSKA 2485 Perhitungan luasan efektif area dan ketidakpastian piston tes mengacu pada procedure Prk MM.3.03. “Procedure for Calibration of Pneumatic Pressure Balance using Direct Comparison Method”. Hanya saja pada intermediate check ini luasan efektif yang dicari hanya satu titik. Persamaan dasar yang digunakan adalah sesuai dengan persamaan (1), yaitu: Pstd = Ptes =
Ftes Ates
PPI KIM 2009
Ates =
Ftes Pstd
Keberterimaan kesesuaian antar piston STD (STANDAR) adalah apabila perbedaan dari luasan efektif piston tes pada tekanan dan suhu acuan yang diperoleh dari pengukuran dengan menggunakan 2 piston standar kurang dari 0.005% dan lebih kecil dari ketidakpastian gabungan dari 2 piston standard yang diperoleh, yang ditunjukkan oleh persamaan berikut: Difference = | A(350kPa, 20oC)1 - A(350kPa, 20oC)2| Ucombine = √(U12 +U22) Acceptancy = Difference < 0.005% dan Difference < Ucombine Nilai 0.005% ini didasarkan pada tipikal dari akurasi pressure balance standard khususnya pneumatic pressure.
4
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari percobaan didapatkan hasil sebagai berikut; untuk pneumatic standard
pressure balance (Tabel 1.), perbedaan relatif hasil ukur luasan area tes piston pada tekanan 350 kPa dan suhu 20oC, yang diperoleh menggunakan 2 standar yang berbeda sebesar 0.0005%, yaitu sebesar 4.14 x 10-10 m2, dan jauh lebih kecil dari pada ketidakpastian gabungan relatif yang diperoleh sebesar 0.0052%, yaitu 4.226 x 10-09 m2 pada nominal luasan 8.0644490 x 10-5 m2. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa kondisi dari kedua piston standar masih memiliki syarat sesuai dengan hasil kalibrasinya.
PPI KIM 2009
Tabel.1. Hasil pengukuran intermediate check Pressure balance standard (Pneumatic DHI PG7601) From Low Piston of DHI (10 kPa / kg) The Effective Area of test Piston at 350 kPa and 20oC
A350kPa,20oC
=
8.064449E-05
m2
U(A350kPa,20oC)
=
2.873145E-09
m2
From High Piston of DHI (200 kPa / kg) The Effective Area of test Piston at 350 kPa and 20oC
A350kPa,20oC
=
8.064491E-05
m2
U(A350kPa,20oC)
=
3.09898E-09
m2
Conformity Check from Both Piston Difference
=
4.136E-10
m2
Ucombine1,2
=
4.226E-09
m2
Conformity
=
accepted
Tabel.2. Hasil pengukuran intermediate check Pressure balance standard (Hydraulic RUSKA 2485) From Low Piston of RUSKA 2485 The Effective Area of test Piston at 5 MPa and 20oC
A5MPa,20oC
=
8.020535E-05
m2
U(A5MPa,20oC)
=
4.833336E-09
m2
From Mid Piston of RUSKA 2485 The Effective Area of test Piston at 5 MPa and 20oC
A5MPa,20oC
=
8.020819E-05
m2
U(A5MPa,20oC)
=
4.8815E-09
m2
Conformity Check from Both Piston Difference = 2.839E-09 Ucombine1,2
=
6.870E-09
Conformity
=
accepted
m2 m2
PPI KIM 2009
Pada hydraulic pressure balance, hasilnya ditunjukkan tabel 2.; perbedaan relatif hasil ukur luasan area tes piston pada tekanan 5 MPa dan suhu 20oC, yang diperoleh menggunakan 2 standar yang berbeda diatas adalah 0.0035%, yaitu sebesar 2.839 x 10-9 m2, dan jauh lebih kecil dari pada ketidakpastian gabungan relatif yang diperoleh sebesar 0.0086%, yaitu 6.870 x 10-9 m2 pada nominal luasan 8.0205350 x 10-5 m2. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa kondisi dari kedua piston standar masih memiliki syarat sesuai dengan hasil kalibrasinya. Dari dua hasil percobaan, didapatkan bahwa hasil luasan area pada suhu 20oC dan pada suhu yang bersesuaian dari dua buah standar, mempunyai kesesuaian yang diharapkan dan memenuhi persyaratan keberterimaan dari metode yang diajukan. Perbedaan yang mendasar dari 2 percobaan diatas adalah asal dari cek standar (tes piston) yang digunakan. Pada Pneumatic pressure balance standard, tes piston yang digunakan adalah milik laboratorium yang memang dikhususkan sebagai cek standar. Sedangkan pada Hydraulic pressure balance standard menggunakan tes piston yang berasal dari milik konsumen memerlukan kalibrasi, sehingga dengan melakukan pengukuran tambahan setelah proses kalibrasi selesai, didapatkan juga hasil intermediate check. Metode keberterimaan atas kesesuaian hasil ukur menggunakan 2 piston standar ini didasarkan pada pertimbangan bahwa tidak semua laboratorium mempunyai cek standard / artefak khusus, yang digunakan sebagai cek standar. Oleh sebab itu dengan metode ini, yang berdasar pada kesesuaian hasil ukur suatu standar relatif terhadap standar yang lain, akan memungkinkan menggunakan alat konsumen sebagai cek standar. Sehingga tidak perlu lagi menjadwalkan waktu khusus untuk melakukan intermediate check, tetapi setiap saat bisa dilakukan bersamaan pada waktu kalibrasi. Pengkajian lebih lanjut terhadap metode ini, memungkinkan munculnya dasar analisis lain terhadap parameter ukur yang didapatkan sehingga dapat mengetahui pola dari hasil ukurnya seperti yang diisyaratkan ISO 17025.
5
KESIMPULAN Metode intermediate check terhadap pressure balance standard pneumatik
ataupun hydraulic dengan menggunakan cek standar berupa pressure balance lain, baik yang dikhususkan untuk cek standar maupun milik konsumen, menunjukkan hasil
PPI KIM 2009
sesuai dengan yang diharapkan dan dapat diterapkan dilaboratorium kalibrasi khususnya tekanan. Metode intermediate check yang berdasarkan keberterimaan kesesuaian hasil ukur standar relatif terhadap yang lain ini, memungkinkan fleksibilitas yang tinggi terhadap waktu yang harus diluangkan khusus untuk melakukan intermediate check standar.
DAFTAR PUSTAKA [1] Donald G. S. G., 1993, The Calibration of Pressure Instrument Using a Pressure Balances, CSIRO, Australia [2] Kobata, T. and Olson,D.A., 2005, Accurate Determination of Equilibrium State Between Two Pressure Balance Using a Pressure Transducer, Metrologia 42, Institute of Physics Publishing. [3] Lewis, S. and Peggs, G., 1992, The Pressure Balance Theory and Practice, National Physical Laboratory, UK. [4] ISO IEC-17025, 2005, General Requirement for the Competence of Testing and Calibration Laboratories, 2nd Edition, International Standard, Switzerland. [5]DP.01.33, 2004, KAN Guide on Measurement Assurance, KAN, Jakarta. [6] Rudi Anggoro, 2008, Sistem multi kalibrasi elektromekanika manometer otomatis, PPI-KIM, Tangerang [7] Rudi A. S. dan N. T. Eka D., 2008, Karakterisasi Suseptibilitas Magnet pada Massa Pembeban Standrad Tekanan Pressure Balance, Seminar Material Metalurgi, Tangerang
PPI KIM 2009