PENGARUH PERUBAHAN KONDISI LINGKUNGAN TERHADAP NILAI TEKANAN YANG DIBANGKITKAN OLEH STANDAR PRESSURE BALANCE

Transkripsi

1 PENGARUH PERUBAHAN KONDISI LINGKUNGAN TERHADAP NILAI TEKANAN YANG DIBANGKITKAN OLEH STANDAR PRESSURE BALANCE Adindra Vickar Ega, R.Rudi Anggoro Samodro Pusat Penelitian Metrologi LIPI Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, INTISARI Kondisi lingkungan masuk kedalam salah satu aspek persyaratan teknis laboratorium pengujian dan kalibrasi yang perlu dijaga, sebagai upaya untuk menjamin mutu pengukuran yang dilakukan, sesuai dengan SNI ISO/IEC 17025: 2008 Klausul 5.3 tentang Kondisi akomodasi dan kondisi lingkungan. Dalam penelitian ini, dilakukan simulasi variasi parameter kondisi lingkungan terhadap perhitungan nilai tekanan standar Pressure Balance pada saat estimasi dan kalibrasi RPM4 A280M pada rentang 100 MPa. Hal ini dilakukan untuk mengetahui parameter kondisi lingkungan yang memiliki kontribusi terbesar terhadap deviasi nilai tekanan standar. Analisis dilakukan dengan menghitung deviasi nilai tekanan standar terhadap perubahan tiap-tiap parameter kondisi lingkungan, pada kondisi maksimum dan minimumnya, berdasarkan data pengukuran. Selain itu, dilakukan evaluasi terhadap korelasi antar parameter parameter. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suhu piston dan suhu ruang merupakan parameter kondisi lingkungan yang memberi kontribusi terbesar terhadap deviasi nilai standar tekanan, Pressure Balance, yakni masing-masing sebesar 9 x 10-6 (baca ppm- parts per million) dan 0,57 x 10-6 (baca ppm parts per million) of reading per derajat Celcius. Selain kondisi lingkungan, pengaruh suhu piston juga dievaluasi, dan menghasilkan deviasi sebesar 9 ppm per derajat Celcius. Tingkat korelasi suhu piston terhadap suhu ruangan adalah sebesar 0,98 dan 0,95, hal ini meandakan bahwa ada parameter yang mempengaruhi perubahan suhu piston, selain dari perubahan suhu ruangan. Dari hasil kalibrasi, dapat disimpulkan bahwa perubahan densitas udara sebagai akibat perubahan kondisi lingkungan bukan merupakan komponen utama yang berkontribusi terhadap deviasi tekanan standar Pressure Balance, karena ada korelasi antar parameter lain dengan kondisi lingkugan, sehingga kondisi lingkungan perlu dijaga sesuai dengan persyaratan untuk menjamin hasil pengukuran yang dilakukan. Kata kunci: kondisi lingkungan, variasi, deviasi, tekanan standar, pressure balance ABSTRACT Environmental condition is the technical requirements for testing and calibration laboratory that need to be controlled, as the effort to assure the measurement quality, according to the SNI ISO/IEC 17025:2008 Clause 5.3 for Accommodation and environmental conditions. In this study, variation of environmental conditions has been done for the pressure standard calculation, during the estimation and during the calibration of RPM4 A280M Range 100 MPa, to investigate which parameter gives the largest contribution to the deviation of the pressure standard. Analysis has been done by calculating the deviation of the pressure standard, when every parameter is changed into its maximum and minimum value, and also how its correlation. The results shows that piston temperature and room temperature is the environmental condition parameter that gives the largest contribution to the pressure standard deviation, with 9 ppm and 0,57 ppm (parts per million) per degree Celcius, respectively with the correlation value of 0,98 and 0,95 when the piston is not working and working respectively. From the calibration results, it can be concluded that air density change as the result of environmental condition change is not the main component that gives the largest contribution to the pressure deviation standard. However, the parameters must be controlled as its requirement, to ensure the measurement results. Keywords: environmental condition, variation, deviation, pressure standard, pressure balance

2 1. PENDAHULUAN Kondisi lingkungan merupakan salah satu persyaratan teknis bagi laboratorium pengujian dan kalibrasi untuk diimplentasikan sebagai upaya untuk menjamin mutu tiap pengukuran yang dilakukan, sesuai dengan SNI ISO/IEC 17025: 2008 Klausul 5.3 tentang Kondisi akomodasi dan kondisi lingkungan. Dalam proses implementasinya, laboratorium harus memantau, mengendalikan, merekam, dan menetapkan toleransi kondisi lingkungan sesuai dengan yang dipersyaratkan oleh spesifikasi peralatan, metode dan prosedur yang relevan bila kondisi tersebut mempengaruhi mutu hasil pengukuran [1]. Di dalam lingkup kalibrasi tekanan, Pressure Balance sebagai standar primer tekanan, merupakan salah satu alat ukur yang dapat dipengaruhi oleh parameter kondisi lingkungan. Perubahan kondisi ruang kalibrasi akan mengakibatkan perubahan nilai komponen gaya dan luasan efektif piston-silinder, sehingga nilai tekanan yang dihasilkan Pressure Balance akan berubah. Perubahan kondisi ruang kalibrasi juga dapat mengakibatkan perubahan nilai estimasi massa tambahan yang perlu ditambahkan pada massa pembeban Pressure Balance, untuk mendapatkan tekanan aktual standar yang mendekati tekanan nominal dalam proses kalibrasi dengan tingkat keakurasian yang tinggi. Perbedaan nilai tekanan aktual standar dan nominal akibat perubahan kondisi lingkungan pada proses kalibrasi, akan menyebabkan error atau koreksi hasil pengukuran menjadi besar, sehingga pengaruh kondisi lingkungan tersebut perlu diinvestigasi lebih dalam, mengingat kondisi ruangan selalu berubah sewaktu proses kalibrasi. Makalah ini akan menjelaskan pengaruh masing-masing parameter kondisi lingkungan (suhu ruang, kelembaban relatif, tekanan atmosfer) dan suhu piston, terhadap perubahan nilai tekanan standar yang dihasilkan Pressure Balance, parameter kondisi lingkungan yang paling signifikan terhadap perubahan nilai tekanan standar sehingga dapat dilakukan pengendalian khusus untuk parameter kondisi lingkungan tersebut, kecuali parameter tekanan atmosfer. 2. TEORI DASAR Pressure Balance merupakan standar primer tekanan yang memiliki komponen piston-silinder, massa pembeban dan massa tambahan, sistem pembangkit tekanan, serta medium tekanan. Dalam pengoperasiannya, tekanan yang dihasilkan melalui medium tekanan yang dibangkitkan, akan disetimbangkan oleh gaya yang bekerja pada luasan efektif piston-silinder seperti pada Gambar 1.

3 Gambar 1. Standar Primer Tekanan Pressure Balance [2] Nilai tekanan yang dibangkitkan oleh Pressure Balance, untuk tipe Hidraulik mode Gauge, akan mengikuti Persamaan 1: p ( M m added ( A )(1 ) 1 a m bp ) g. C 1 0,20 n p t ( f 20 a ). g. V (1) Dimana adalah jumlah massa total yang bekerja pada piston-silinder (piston, beban DWT, bell carrier), m added merupakan massa tambahan, (1- a mi ) merupakan efek buoyansi udara dengan a merupakan densitas udara dan mi merupakan densitas masingmasing massa (piston, beban DWT, bell carrier, massa tambahan), g merupakan nilai gravitasi lokal, merupakan tegangan permukaan cairan medium pada dinding permukaan piston-silinder, merupakan keliling piston, V merupakan volume buoyansi piston, A 0,20 merupakan luasan piston-silinder pada tekanan nol dan pada suhu referensi 20 C, kemudian b piston-silinder, tp merupakan suhu piston-silinder saat operasi [3],[4]. ) berkontribusi dalam efek buoyansi udara pada massa pembeban dan massa tambahan yang memberi gaya pada luasan efektif pistonsilinder, serta efek volume buoyansi untuk piston memiliki bentuk khusus, misalkan piston yang memiliki stopper di bagian dasarnya. Perhitungan nilai densitas udara dengan menggunakan formula BIPM, seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2 berikut ini. a 348,48 p atm ( bar) 0, ,15 t r H(%) e 0,0612 tr (2)

4 Dari Persamaan 2, tampak bahwa nilai densitas udara dipengaruhi oleh tekanan atmosfer (p ), kelembaban relatif (H(%)), serta suhu ruang (t ). Dalam menjaga kondisi lingkungan laboratorium, suhu ruang dan kelembaban relatif dapat dikendalikan dengan menggunakan air conditioner (AC) dan humidifier / dehumidifier. Parameter tekanan atmosfer tidak dapat dikendalikan, karena bergantung pada jumlah molekul udara yang berubah seiring dengan perubahan ketinggian permukaan laut akibat pengaruh gaya gravitasi bulan dan matahari dengan bumi. ) berkontribusi didalam efek volume buoyansi serta koreksi tekanan terhadap perbedaan ketinggian level acuan antara standar dengan UUT (Unit Under Test). Medium tekanan pada Pressure Balance ) masing-masing, tergantung jenis fluida yang digunakan. Untuk medium tekanan berupa oli Sebacate pada Pressure Balance Hidraulik, memiliki nominal densitas 914 kg/m pada suhu ruang 20 C dan tekanan atmosfer 1 bar. Namun, seiring dengan perubahan kondisi lingkungan, nilai densitas fluida akan berubah sesuai dengan Persamaan 3 berikut ini. f f ( 20 C,1bar) [1 0,00078 {( t t ) / 2 20}] [1 0,00008 p' ] p r (3) (20 C,1bar) adalah nilai nominal densitas fluida oli pada suhu ruang 20 C dan tekanan atmosfer 1 bar, t merupakan suhu piston-silinder ( C), t merupakan suhu ruang ( C), dan p merupakan estimasi tekanan dalam satuan bar. 3. METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan dengan cara mengestimasi tekanan melalui perhitungan nilai tekanan aktual standar menggunakan software kalibrasi tekanan sesuai dengan prosedur I.MM.3.04 Laboratorium Tekanan Puslit Metrologi LIPI yang mengacu pada DKD-R 6-1:2003 dan EURAMET/cg-17/v.01, untuk kalibrasi alat ukur tekanan (Pressure Measuring Device) [6],[7],[8].

5 Gambar 2. Estimasi Tekanan dengan Software Kalibrasi I.MM.3.04 [6] Estimasi perhitungan nilai tekanan aktual standar dilakukan pada kondisi lingkungan yang ideal di laboratorium tekanan Puslit Metrologi LIPI yakni pada suhu ruang (tr) 20 C, kelembaban relatif (H(%)) 55%, dan suhu piston (t ) 20 C, dari toleransi kondisi lingkungan, untuk suhu (20 C ± 2 C), dan kelembaban relatif (55% ± 10%). Estimasi perhitungan nilai tekanan aktual standar kemudian dilakukan pada kondisi lingkungan ekstrim maksimum hingga minimum sebagai perbandingan terhadap kondisi lingkungan ideal dan kondisi lingkungan aktual saat pengambilan data. Titik ukur yang digunakan sesuai dengan rentang ukur UUT yang hendak dikalibrasi, dimana dalam penelitian ini diambil tiga titik ukur, yaitu 10 MPa, 50 MPa, dan 100 MPa. Gambar 3. Setup kalibrasi RPM4 A280M dan pencatatan kondisi lingkungan Pencatatan kondisi ruang kalibrasi dan suhu piston dilakukan pada pagi dan sore hari, untuk mengetahui perubahan kondisi lingkungan selama proses kalibrasi. Dengan demikian, dapat diketahui perbedaan nilai tekanan aktual standar pada kondisi lingkungan ideal dengan kondisi lingkungan pada saat proses kalibrasi, serta pengaruh dari masingmasing parameter kondisi lingkungan (tr, H(%), pamb, tp) terhadap perbedaan nilai tekanan aktual standar tersebut. Pengamatan antara suhu ruang dan suhu piston juga dilakukan dalam penelitian ini, untuk mengetahui korelasi antara keduanya, sehingga dapat diambil kesimpulan, khususnya bagi laboratorium yang tidak mengukur suhu ruang atau tidak mengukur suhu piston.

6 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil estimasi yang dilakukan melalui variasi parameter kondisi lingkungan dari toleransi minimum hingga maksimum, didapatkan hasil sebagai berikut ini: Gambar 4. Variasi suhu ruang kalibrasi terhadap beda Pstd dan Densitas Udara Gambar 4 menunjukkan variasi perubahan suhu ruangan kalibrasi terhadap beda tekanan aktual dengan nominal, dan nilai densitas udara. Perubahan relatif beda tekanan aktual-nominal yang dihasilkan DWT akibat beda suhu ruang kalibrasi sebesar 4 derajat adalah 2,3 ppm pada seluruh rentang tekanan Mpa (2,3 ppm of reading), sehingga tekanan berubah 0,57 ppm per derajat celcius. Sedangkan, untuk perubahan relatif densitas udara akibat beda suhu ruang kalibrasi sebesar 4 derajat adalah 1,6 % pada seluruh rentang tekanan Mpa, sehingga densitas udara berubah 0,4 % per derajat celcius Gambar 5. Variasi kelembaban relatif ruang terhadap beda Pstd dan Densitas Udara Gambar 5 menunjukkan variasi perubahan kelembaban relatif ruangan kalibrasi terhadap beda tekanan aktual dengan nominal, dan nilai densitas udara. Perubahan relatif tekanan yang dihasilkan DWT akibat perubahan kelembaban relatif ruang kalibrasi sebesar

7 20% adalah 0,26 ppm pada seluruh rentang tekanan Mpa (of reading), sehingga tekanan berubah 0,013 ppm per %RH. Perubahan relatif densitas udara akibat perubahan kelembaban ruang kalibrasi sebesar 20% adalah 0,18 % pada seluruh rentang tekanan Mpa, sehingga densitas udara berubah 0,009% per %RH Gambar 6. Variasi tekanan atmosfer ruang terhadap beda Pstd dan Densitas Udara Gambar 6 menunjukkan variasi perubahan tekanan atmosfer ruang kalibrasi terhadap beda tekanan aktual dengan nominal, dan nilai densitas udara. Perubahan relatif tekanan yang dihasilkan DWT akibat perubahan tekanan ruang kalibrasi sebesar 9 hpa adalah 1,35 ppm pada seluruh rentang tekanan Mpa, sehingga tekanan berubah 0,15 ppm per hpa. Perubahan relatif densitas udara akibat perubahan tekanan ruang kalibrasi sebesar 9 hpa adalah 0,9% pada seluruh rentang tekanan Mpa, sehingga densitas udara berubah 0,1% per hpa Gambar 7. Variasi suhu piston terhadap beda Pstd Gambar 7 menunjukkan variasi perubahan tekanan atmosfer ruang kalibrasi terhadap beda tekanan aktual dengan nominal. Perubahan relatif tekanan yang dihasilkan

8 DWT akibat perubahan suhu piston sebesar 2 derajat adalah 18 ppm pada seluruh rentang tekanan Mpa, sehingga tekanan berubah 9 ppm per derajat celcius. Dari hasil analisis mengenai variasi kondisi ruangan terhadap nilai tekanan yang dibangkitkan oleh standar Pressure Balance diatas, dapat diambil kesimpulan bahwa parameter Suhu Piston memiliki kontribusi terbesar terhadap perubahan nilai tekanan standar sebesar 9 ppm of reading per derajat celcius, disusul oleh parameter suhu ruang sebesar 0,57 ppm of reading per derajat celcius, parameter tekanan atmosfer ruang sebesar 0,15 ppm of reading per hpa, dan parameter kelembaban relatif dengan 0,013 ppm of reading per %RH. Hasil tersebut bersesuaian dengan parameter yang berkontribusi terbesar di dalam perhitungan nilai densitas udara, yakni parameter suhu ruang sebesar 0,4% per derajat celcius, parameter tekanan ruang sebesar 0,1% per hpa, kemudian parameter kelembaban relatif sebesar 0,009% per %RH. Korelasi parameter suhu piston dengan suhu ruang akan di investigasi lebih lanjut di bagian akhir makalah ini. Dalam proses pengambilan data pada penelitian ini, kondisi ruangan cenderung berubah ubah, namun tidak melebihi toleransi kondisi ruangan laboratorium sesuai yang dipersyaratkan (suhu ruang (20 C ± 2 C), dan kelembaban relatif (55% ± 10%), seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Data Kondisi Ruangan dan Hasil Kalibrasi RPM4 A280M Cycle 3

9 Dari Tabel 1, didapatkan informasi bahwa suhu ruang dan suhu piston cenderung meningkat, dengan deviasi maksimum suhu masing-masing sebesar 0,93 C dan 0,66 C. Kelembaban udara cenderung menurun dengan deviasi maksimum sebesar 5,33 %RH, dan tekanan atmosfer ruang kalibrasi cenderung menurun dengan deviasi maksimum sebesar 3,82 hpa. Tampak bahwa deviasi maksimum nilai tekanan yang dihasilkan standar Pressure Balance terhadap nominal tekanan ), serta deviasi maksimum penunjukan alat UUT terhadap nilai tekanan standar, terjadi pada titik tekanan maksimum 100 MPa, walaupun suhu piston dan suhu ruang masih cenderung naik ketika proses kalibrasi tekanan menurun. Dapat disimpulkan bahwa, perubahan densitas udara bukan merupakan parameter utama yang memberikan kontribusi terbesar didalam deviasi tekanan standar. Namun demikian, perubahan densitas udara sebagai akibat perubahan kondisi lingkungan, memiliki kontribusi cukup signifikan terhadap perhitungan nilai gaya yang bekerja pada luasan efektif piston-silinder, sehingga parameter kondisi lingkungan perlu dijaga sedapat mungkin. Dari hasil karakterisasi suhu piston dan suhu ruang selama 8 jam dengan kondisi piston tidak bekerja, didapatkan korelasi suhu piston dengan suhu ruang kalibrasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 8. Korelasi Suhu Piston dan Suhu Ruang saat piston tidak beroperasi

10 Tampak bahwa seiring dengan bertambahnya waktu, suhu piston dan suhu ruang cenderung meningkat dengan laju peningkatan yang relatif sama. Tingkat korelasi antara suhu piston dan suhu ruang adalah 0,98 yang berarti kedua parameter tersebut saling memiliki keterkaitan atau berkorelasi. Rata-rata perbedaan suhu piston dan suhu ruang yaitu sebesar 0,4 C. Metode investigasi ini dapat diterapkan oleh laboratorium untuk mengetahui parameter suhu piston atau suhu ruang, khususnya jika laboratorium tidak mengukur suhu piston atau suhu ruang. Gambar 9. Korelasi Suhu Piston dan Suhu Ruangan pada saat piston beroperasi Dalam keadaan piston beroperasi, suhu piston dan suhu ruang cenderung meningkat dengan laju peningkatan yang sama setelah kondisi ruangan stabil pada saat kalibrasi tekanan naik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Namun, pada saat tekanan menurun, suhu piston cenderung menurun akibat dekompresi fluida dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Berbeda dengan suhu ruang yang terus naik seiring dengan lamanya proses kalibrasi dilakukan. Tingkat korelasi suhu piston dan suhu ruang pada saat piston beroperasi ini adalah 0,95 yang berarti kedua parameter tersebut juga memiliki keterkaitan saat kondisi piston bekerja. Perlu kehati-hatian bagi laboratorium di dalam mengestimasi suhu piston dari parameter suhu ruang ketika tekanan menurun, karena suhu piston terpengaruh oleh efek dekompresi fluida serta suhu ruang kalibrasi yang terus meningkat. 5. KESIMPULAN Dari hasil estimasi dan analisis mengenai variasi kondisi ruangan terhadap nilai tekanan yang dibangkitkan oleh standar Pressure Balance, dapat diambil kesimpulan bahwa parameter suhu piston dan suhu ruang memiliki kontribusi terbesar terhadap

11 perubahan nilai tekanan standar masing-masing sebesar 9 ppm dan 0,57 ppm (parts per million) of reading per derajat celcius dengan variasi suhu sesuai persyaratan kondisi ruang kalibrasi. Hasil karakterisasi suhu piston dengan suhu ruang pada saat kondisi piston tidak bekerja dan piston bekerja menunjukkan keterkaitan dengan tingkat korelasi masing-masing 0,98 dan 0,95 dengan rata-rata deviasi suhu ruang dan suhu piston sebesar 0,4 C, sehingga metode ini dapat digunakan untuk laboratorium yang tidak mengukur suhu ruang atau suhu piston di ruang kalibrasinya. Namun demikian, hasil kalibrasi menunjukkan bahwa perubahan densitas udara sebagai akibat perubahan kondisi lingkungan, bukan merupakan komponen utama yang memberikan kontribusi terbesar pada deviasi nilai tekanan yang dibangkitkan oleh standar, tetapi cukup berpengaruh pada perhitungan komponen gaya sehingga kondisi ruang kalibrasi perlu dijaga. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada manajemen Puslit Metrologi LIPI yang telah memfasilitasi peralatan di laboratorium tekanan, kepada rekan-rekan Sub Bidang Metrologi Massa, khusunya rekan-rekan laboratorium tekanan, yang telah banyak memberi saran dan masukan, serta kepada panitia PPI-KIM 42 yang telah memfasilitasi untuk publikasi hasil penelitian ini. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] -, 2008, SNI ISO/IEC-17025:2008 Persyaratan Umum Kompetensi Laboratorium Pengujian dan Laboratorium Kalibrasi, BSN, Jakarta. [2] Tokihiko Kobata, 2009, Improved methods for comparing gas and hydraulic pressure balances, Metrologia 46 (2009) [3] Adindra Vickar Ega dan Rudi A.S., 2014, Pengecekan Antara Pressure Balance Standar Sebagai Implementasi Jaminan Mutu Laboratorium Tekanan Puslit Metrologi LIPI sesuai dengan SNI ISO/IEC 17025:2008, Prosiding PPI Standardisasi 2014 hal , Jakarta. [4] Adindra Vickar Ega dan Rudi A.S., 2015, Pengaruh Sensitifitas Massa Tambahan Terhadap Balancing Mass Pada Metode Cross Float Pressure Balance, Prosiding PPI- KIM Ke-41 hal. 1-10, Jakarta.

12 [5] Lewis, S. and Peggs, G., 1992, The Pressure Balance Theory and Practice, National Physical Laboratory, UK. [6] -, 2014, I.MM Software for Pressure Measuring Device Calibration, Puslit Metrologi LIPI, Tangerang Selatan. [7] Publication Reference DKD, DKD-R 6-1: Guidelines of Calibration of Pressure Gauges. [8] Publication Reference EURAMET, EURAMET/cg-17/v.01 Guidelines on the Calibration of Electromechanical Manometers. HASIL DISKUSI Tidak ada diskusi.