EVALUASI MESIN STANDAR TORSI NASIONAL PUSLIT METROLOGI - LIPI PADA RENTANG UKUR 5 N M 50 N M

Transkripsi

1 EVALUASI MESIN STANDAR TORSI NASIONAL PUSLIT METROLOGI - LIPI PADA RENTANG UKUR 5 N M 50 N M EVALUATION OF NATIONAL TORQUE STANDARD MACHINE IN THE RESEARCH CENTER FOR METROLOGY IN MEASUREMENT RANGE OF 5 N M 50 N M Dinar Nurcahyono 1, Hafid 1, Koji Ogushi 2, Atsuhiro Nishino 2 1 Pusat Penelitian Metrologi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Kompleks Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan National Metrology Institute of Japan (NMIJ), AIST, Tsukuba, Jepang dinar@kim.lipi.go.id ABSTRAK Evaluasi terhadap mesin standar torsi Puslit Metrologi LIPI pada rentang 5 50 N m telah dilakukan dengan melakukan uji banding secara bilateral dengan National Metrology Institute of Japan (NMIJ). Uji banding ini dilakukan pada sepuluh titik ukur dari 5 50 N m untuk torsi searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam dengan menggunakan torque transducer sebagai artefak. Tujuan dari uji banding ini adalah untuk mengevaluasi ketidakpastian mesin standar torsi deadweight Puslit Metrologi pada rentang 5 50 N m yang ditetapkan sebesar 0,04 %. Hasil uji banding menunjukkan kesesuaian hasil pengukuran Puslit Metrologi dengan hasil pengukuran NMIJ dengan En terbesar untuk torsi searah jarum jam adalah 0,17 dan untuk torsi berlawanan arah jarum jam adalah 0,26. Kata kunci: evaluasi, ketidakpastian, mesin standar torsi, uji banding, En number ABSTRACT Evaluation of Research Center for Metrology s torque standard machine in measurement range of 5 50 N m has been done by conducting bilateral comparison with the National Metrology Institute of Japan (NMIJ). Comparison conducted on ten measuring points from 5 50 N m for clockwise and counterclockwise torque using torque transducer as the artefact. The purpose of this comparison is as supporting evidence of the reliability of the RCM s deadweight torque standard machine uncertainty in the range of 5 50 N m that has been declared with 0,04%. The comparison results showed that the measurement results of Research Center for Metrology LIPI was in accordance with the measurement results of NMIJ, with the biggest En for clockwise torque was 0.17 and for counter clockwise was Keywords: evaluation, uncertainty, torque standard machine, comparison, En number A. PENDAHULUAN Puslit Metrologi LIPI merupakan Lembaga Metrologi Nasional atau National Metrology Institute (NMI) Indonesia, yang memegang peranan penting sebagai pengelola teknis Standar Nasional untuk Satuan Ukuran (SNSU). Dalam lingkup pengukuran torsi, Puslit Metrologi memiliki mesin torsi yang merupakan standar nasional tertinggi. Peranan pengukuran torsi dalam mendukung peningkatan daya saing produk dan standar keselamatan sangat penting karena aplikasi utama dari pengukuran torsi adalah untuk uji material serta standar pengencangan dalam industri manufaktur, perakitan, dan konstruksi. Standar nasional torsi Puslit Metrologi berupa mesin standar torsi deadweight N m. Mesin standar torsi ini tertelusur ke PTB Jerman dengan menggunakan transfer standar berupa dua buah torque transducer yang masing-masing berkapasitas 500 N m ( N m) dan N m ( N m). Dengan menggunakan torque transducer tersebut, titik kalibrasi yang dapat dicakup hanya dari N m sehingga penetapan ketidakpasti an mesin untuk rentang di bawah 50 N m me mer lukan validasi tersendiri yang dapat di lakukan melalui uji banding. Hal ini sesuai dengan ISO/IEC 17025:2005 tentang jaminan mutu hasil pengukuran. 91

2 Gambar 1. Mesin Standar Torsi Puslit Metrologi Dalam makalah ini disampaikan hasil evaluasi berdasarkan proses uji banding bilateral torsi antara Puslit Metrologi dan lembaga metrologi nasional Jepang, yaitu NMIJ, untuk rentang kapasitas 5 50 N m dengan torsi searah jarum jam (clockwise, CW) dan berlawanan arah jarum jam (counterclockwise, CCW). Pengambilan data dilakukan dengan menggunakan prosedur kalibrasi masing-masing NMI. Kegiatan ini berlangsung dari bulan Desember 2015 hingga Februari Hasil uji banding ini kemudian dianalisis meng gunakan metode Error Normalized number (En number). B. TINJAUAN PUSTAKA Mesin standar torsi deadweight merupakan mesin standar torsi yang menghasilkan torsi dengan menggunakan gaya berat, yaitu dengan memanfaatkan gaya gravitasi yang bekerja pada massa standar yang terletak pada panjang lengan tertentu dengan mempertimbangkan efek buoyancy. Mesin standar torsi Puslit Metrologi (Gambar 1) berupa mesin standar torsi deadweight N m dengan rentang ukur N m. Ketidakpastian mesin standar torsi dibagi menjadi tiga rentang, yaitu untuk rentang 1 5 N m ditetapkan sebesar 0,1%, rentang Gambar 2. Mesin Standar Torsi NMIJ N m sebesar 0,04%, dan rentang N m sebesar 0,03%, di mana ketidakpastian rentang N m ditetapkan berdasarkan hasil kalibrasi torque transducer ke PTB. Sementara itu, penetapan ketidakpastian mesin untuk rentang di bawah 50 N m dilakukan dengan menggunakan metode gabungan sesuai prosedur I.MM.5.00 Puslit Metrologi [1] dengan mengacu pada hasil kalibrasi rentang N m. Uji banding yang disampaikan dalam makalah ini digunakan untuk validasi penetapan ketidakpastian mesin standar torsi pada rentang 5 50 N m sebesar 0,04%. Uji banding ini sekaligus dapat digunakan sebagai data dukung klaim kemampuan kalibrasi dan pengukuran (Calibration and Measurement Capability, CMC) pada rentang N m. Puslit Metrologi juga telah melakukan uji banding bilateral dengan NMIJ untuk titik ukur N m dan N m dengan identifier APMP.M.T-S1 [2] untuk mendukung klaim kemampuan kalibrasi dan pengukuran pada rentang N m. Mesin standar torsi yang digunakan oleh NMIJ dalam uji banding ini adalah mesin standar torsi deadweight 1 kn m dengan ketidakpastian 0,0034% (Gambar 2). Mesin Gambar 3. Torque Transducer DmTN 50 N m Gambar 4. Indikator DMP 40 dan BN 100A 92 Instrumentasi, Vol. 40 No. 2, 2016

3 ini telah digunakan dalam uji banding torsi CCM.T-K1 [3] dan beberapa uji ban ding lain, antara lain dengan KRISS (Korea) [4]. Kedua mesin ini memiliki sistem pembebanan yang berbeda, di mana mesin standar torsi NMIJ menggunakan sistem pembebanan otomatis, sedangkan mesin standar torsi Puslit Metrologi masih menggunakan pembebanan manual. Evaluasi kesesuaian hasil pengukuran kedua NMI dapat dilakukan dengan menggunakan perhitungan angka kesalahan atau En number dengan persamaan sebagai berikut:... (1) dengan: X P2M = Nilai yang dihasilkan oleh Puslit Metrologi LIPI X NMIJ = Nilai yang dihasilkan NMIJ W P2M = Nilai ketidakpastian bentangan yang dihasilkan oleh Puslit Metrologi LIPI W NMIJ = Nilai ketidakpastian yang dihasilkan NMIJ Hasil yang baik ditunjukkan jika nilai En 1. C. METODE Pada uji banding ini, artefak yang digunakan adalah torque transducer kapasitas 50 N m tipe DmTN dengan nomer seri #52641 (Gambar 3). Torque transducer ini memiliki shaft ber diameter Ø 20 mm. Pengambilan data pertama kali dilakukan oleh Puslit Metrologi sebelum dilakukan pengambilan data oleh NMIJ. Selanjutnya, pengambilan data dilakukan kembali oleh Puslit Metrologi untuk menentukan drift torque transducer selama rentang waktu uji banding. Pengambilan data dilakukan dengan meng gunakan indikator DMP 40 setiap NMI (Puslit Metrologi sn: # , NMIJ sn: # ). Kedua indikator ini kemudian dikalibrasi dengan menggunakan bridge calibration unit BN100A Puslit Metrologi (sn: #17152) untuk menentukan deviasi di antara keduanya (Gambar 4). Pengujian indikator DMP 40 dilakukan pada rasio tegangan yang merepresentasikan output dari torque transducer, yaitu dari -2 mv/v hingga + 2 mv/v. Titik pengujian dilakukan pada +0.1 mv/v, +0.2 mv/v, +0.4 mv/v, +0.6 mv/v, +0.8 mv/v, +1.0 mv/v, +1.2 mv/v, +1.6 mv/v, +2.0 mv/v serta -0.1 mv/v, -0.2 mv/v, -0.4 mv/v, -0.6 mv/v, -0.8 mv/v, -1.0 mv/v, -1.2 mv/v, -1.6 mv/v, dan -2.0 mv/v. Setting filter pada DMP 40 yang digunakan adalah Bezzel filter 0,1 Hz dan setting auto calibration Acal Off. Prosedur pembebanan yang digunakan adalah prosedur kalibrasi torque transducer setiap NMI dengan beberapa penyesuaian yang dilakukan untuk uji banding (Gambar 5). Step pembebanan yang dilakukan ditampilkan pada Gambar 6. Pengambilan data dilakukan dalam tiga sudut rotasi, yaitu 0, 120, dan 240 dengan sepuluh titik pembebanan naik dan turun. Pegambilan data torsi searah jarum jam (CW) dan berlawan an arah jarum jam (CCW) dilakukan secara ter pisah. Gambar 5. Skema Uji Banding Evaluasi Mesin Standar... 93

4 Gambar 6. Prosedur Pembebanan Puslit Metrologi dan NMI Hal yang perlu digarisbawahi adalah bahwa Puslit Metrologi dan NMIJ mempunyai sistem pembebanan berbeda. Hal ini menyebabkan per be daan waktu yang diperlukan untuk men ca pai titik pembebanan dan kestabilan. NMIJ menggunakan waktu tunggu untuk pengambilan data 30 detik setelah mencapai titik pembebanan, sedangkan Puslit Metrologi menggunakan waktu tunggu 60 detik. Suhu ruang yang dipersyaratkan untuk pengambilan data adalah 20 C ± 0,2 C, sedangkan kelembapan pada rentang 45% ± 5%. Kesesuaian hasil pengukuran Puslit Metrologi dan NMIJ dievaluasi dengan menggunakan En number. Selain itu, dilakukan pula evaluasi terhadap besarnya perbedaan repeatability (b diff ), reproducibility (b diff ), dan hysteresis (h diff ) yang dihasilkan untuk memvalidasi proses pengambilan data yang dilakukan Puslit Metrologi. D. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Kondisi Lingkungan Kondisi lingkungan selama pengambilan data ditampilkan dalam Tabel 1. Tabel tersebut menunjukkan bahwa kondisi lingkungan yang dipersyaratkan dapat terpenuhi selama pengambilan data. Tabel 1. Suhu dan Kelembapan NMI P2M NMIJ Arah CW CCW CW CCW Suhu ( C) Ave. 20,0 20,0 20,1 20,0 Max. 20,1 20,1 20,2 20,1 Min. 20,0 19,9 20,1 19,9 Kelembapan (%) Ave. 43,8 43,7 45,0 44,7 Max. 44,7 44,4 45,2 45,3 Min. 43,0 42,9 44,7 44,4 2. Perbedaan Rentang Rasio Tegangan Indikator Berdasarkan pengujian indikator DMP40 dengan menggunakan BN 100A, perbedaan rentang rasio tegangan antara DMP40 Puslit Metrologi dan NMIJ adalah kurang dari 0,001% (kecuali untuk -0,1 mv/v dan -0,2 mv/v). Perbedaan ini relatif kecil sehingga pengaruh penggunaan indikator yang berbeda dapat diabaikan. 3. Deviasi Perhitungan deviasi hasil pengukuran antara kedua NMI dilakukan dengan menggunakan data rata-rata pembebanan naik yang pertama pada tiap sudut. Hasil pengambilan data kedua NMI ditampilkan pada Tabel 2 dan 3. Hasil pengambilan data menunjukkan bahwa deviasi yang diperoleh relatif cukup kecil jika dibandingkan ketidakpastian mesin standar torsi Puslit Metrologi sebesar 0,04%. Deviasi 94 Instrumentasi, Vol. 40 No. 2, 2016

5 maksimum untuk torsi searah jarum jam adalah -0,0074% dan untuk torsi berlawanan arah jarum jam adalah -0,011%. Tabel 2. Hasil Pengambilan Data Torsi Searah Jarum Jam Torsi Defleksi P2M NMIJ Deviasi N m mv/v mv/v % 5 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0031 Tabel 3. Hasil Pengambilan Data Torsi Berlawanan Arah Jarum Jam Torsi Defleksi P2M NMIJ Deviasi N m mv/v mv/v % -5-0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , En number Kesesuaian antara data yang dihasilkan oleh Puslit Metrologi dan NMIJ diperhitungkan dengan En number seperti pada persamaan (1). Ketidakpastian pengukuran Puslit Metrologi (W P2M ) dihitung dengan memperhitungkan ketidakpastian mesin standar torsi (W std1 ), repeatability (W b 1 ), reproducibility (W b1 ), resolusi (W r1 ), creep (W cr1 ), dan drift (W d1 ). Keti dakpastian pengukuran NMIJ (W NMIJ ) dihitung dengan memperhitungkan ketidakpastian mesin standar torsi (W std2 ), repeatability (W b 2 ), dan reproducibility (W b2 ) dan resolusi (W r2 ). W P2M..(2) (%) = k wstd 1 + wb '1 + wb 1 + wr + wcr1 + wd (%) = W k w w w w...(3) NMIJ std 2 b'2 b2 r dengan k = 2 dan tingkat kepercayaan 95%. Ketidakpastian relatif creep (w cr1 ) ditambahkan dalam perhitungan W P2M untuk mengompensasi perbedaan profil pembebanan dan waktu tunggu. Berdasarkan hasil pengujian, perbedaan keluaran torque transducer antara detik adalah kurang dari 0,003%. Ketidakpastian relatif drift (w d1 ) diperhitungkan dari perbedaan data prakalibrasi dan pascakalibrasi Puslit Metrologi untuk mengompensasi perubahan yang terjadi pada torque transducer selama uji banding. Drift torque transducer berkisar antara 0,0051 0,014% untuk torsi searah jarum jam dan 0,001 0,0081% untuk torsi berlawanan arah jarum jam. Hasil perhitungan ketidakpastian dan nilai En yang diperoleh dalam uji banding ditampilkan pada Tabel 4 dan Tabel 5. Tabel 4 dan Tabel 5 menunjukkan bahwa pada seluruh titik pengujian nilai En yang didapatkan kurang dari 1 dengan En terbesar torsi searah jarum jam adalah 0,17 dan torsi berlawanan arah jarum jam adalah 0,26. Dengan demikian, kesesuaian antara mesin standar torsi Puslit Metrologi dan Tabel 4. Ketidakpastian Bentangan dan Nilai En Torsi Searah Jarum Jam Torsi W P2M W NMIJ En N m % % 5 0,043 0,011-0, ,041 0,010-0, ,041 0,008-0, ,041 0,007-0, ,040 0,008-0, ,040 0,008-0, ,040 0,007-0, ,040 0,008-0, ,040 0,007-0, ,040 0,008-0,08 Evaluasi Mesin Standar... 95

6 Tabel 5. Ketidakpastian Bentangan dan Nilai En Torsi Berlawanan Arah Jarum Jam Torsi W P2M W NMIJ En N m % % -5 0,042 0,009-0, ,041 0,009-0, ,041 0,008-0, ,040 0,008-0, ,041 0,008-0, ,040 0,007-0, ,041 0,008-0, ,041 0,008-0, ,041 0,008-0, ,040 0,008-0,21 Gambar 7. Kesesuaian antara Hasil Puslit Metrologi dan NMIJ (CW) NMIJ telah dibuktikan. Hasil tersebut dapat diringkas dalam Gambar 7 dan 8. Derajat kesesuaian pengukuran torsi antara Puslit Metrologi dan NMIJ sangat tinggi dan digambarkan dengan nilai En yang kecil kurang dari 1. Walaupun ketidakpastian pengukuran Puslit Metrologi jauh lebih besar dari NMIJ, ketidakpastian pengukuran Puslit Metrologi masih sangat mungkin untuk diperkecil jika dilihat dari deviasi yang dihasilkan. Namun, ketidakpastian mesin Puslit Metrologi sebesar 0,04% saat ini masih memenuhi syarat untuk digunakan sebagai standar torsi nasional. Kebutuhan terhadap ketidakpastian mesin standar torsi dapat ditinjau dari batas toleransi yang diizinkan untuk torque wrench yang merupakan alat ukur torsi terendah. ISO 6789:2003 mensyaratkan deviasi maksimum torque wrench adalah 4% dan 6% (tergantung tipe dan kelas torque wrench) sehingga ketidakpastian torque wrench tester yang diperlukan idealnya kurang dari 1%. [5] Selanjutnya, ketidakpastian reference torque wrench yang diperlukan untuk kalibrasi torque wrench tester idealnya kurang dari 0,4% dan ketidakpastian mesin standar torsi yang diperlukan untuk kalibrasi reference torque wrench idealnya kurang dari 0,2%. Hal ini secara tersirat terdapat pada prosedur EURAMET cg-14: Guidelines on the Calibration of Static Torque Measuring Devices, tabel C.1 tentang klasifikasi alat ukur torsi. [6] Dalam appendix C BIPM, yang merupakan daftar kemampuan kalibrasi dan pengukuran Gambar 8. Kesesuaian antara Hasil Puslit Metrologi dan NMIJ (CCW) Gambar 9. Perbedaan Repeatability, Reproducibility, dan Hysteresis dari Data yang Dihasilkan Kedua NMI (CMC) dari berbagai negara yang telah diakui kebenarannya, 11 dari 27 item CMC torsi besarnya antara 0,05 0,2% [7]. Hal ini menunjukkan bahwa kemampuan pengukuran Puslit Metrologi masih cukup baik. Selain analisis nilai En dan ketidakpastian mesin, analisis hasil uji banding juga dilakukan terhadap besarnya perbedaan repeatability, reproducibility, dan hysteresis yang dihasilkan dalam uji banding ini. Gambar 9 menunjukkan bahwa perbedaan repeatability (b diff ), reproducibility (b diff ), dan hysteresis (h diff ) yang dihasilkan oleh Puslit Metrologi dan NMIJ dari titik N m cukup kecil, yakni di bawah 0,006%. Hal ini menunjukkan bahwa kualitas 96 Instrumentasi, Vol. 40 No. 2, 2016

7 mesin dan kompetensi teknis yang dimiliki Puslit Metrologi cukup baik meskipun masih menggunakan sistem pembebanan manual. E. KESIMPULAN Hasil uji banding torsi kapasitas 5 50 N m yang dilakukan antara Puslit Metrologi LIPI dan NMIJ menunjukkan kesesuaian di antara keduanya dengan nilai En maksimum yang diperoleh untuk arah searah jarum jam dan berlawan arah jarum jam adalah sebesar 0,26. Hal ini menunjukkan ketidakpastian yang ditetapkan untuk rentang 5 50 N m sebesar 0,04% telah dapat dijamin kebenaran pengukurannya. Hasil ini selanjutnya dapat digunakan sebagai data pendukung bagi Pusat Penelitan Metrologi LIPI untuk mendapatkan pengakuan internasional atas kemampuan pengukuran dan kalibrasinya (CMC) di rentang N m. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada staf laboratorium gaya dan torsi Puslit Metrologi LIPI dan NMIJ yang telah bekerja sama dalam kegiatan uji banding ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Pusat Penelitian Metrologi LIPI I.MM.5.00 Calibration of Deadweight Torque Standard Machine. [2] Ogushi, K., A. Nishino, D. Nurcahyono, dan Hafid Report on the APMP.M.T-S1 Supplementary Comparison. Metrologia 35. [3] Roske, D Final Report on the Torque Key Comparison CCM.T-K1. Metrologia 46. [4] Ogushi, K., dkk Inter-laboratories Comparison between NMIJ and KRISS for Calibration Capabilities of Torque Measuring Devices in the Range from 50 N m to 2 kn m. APMF. [5] International Organization for Standardization ISO 6789: Assembly Tools for Screws and Nuts Hand Torque Tools Requirements and Test Methods for Design Conformance Testing, Quality Conformance Testing, and Recalibration Procedure. [6] EURAMET EURAMET/cg-14/version 2.0: Guidelines on the Calibration of Static Torque Measuring Devices. [7] BIPM Calibration and Measurement Capabilities CMCs. Terakhir dimodifikasi pada Mei exalead_kcdb/ exa_kcdb.jsp?_p=appc&_ q=torque&x=0&y=0. Evaluasi Mesin Standar... 97