Kalibrasi Temperatur pada PT100 dan Thermocouple
Cecep Sulaeman
*, dan Kusnadi
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia
*
E-mail: cecep_pnj@yahoo.com
Abstrak
Kalibrasi temperatur berupa PT100 maupun thermocouple dapat menggunakan metode perbandingan maupun simulasi. Metode perbandingan digunakan dengan cara membandingkan kalibrator standar berupa es batu maupun air mendidih terhadap indikator digital controller E5EK Omron. Data pengukuran temperatur dihitung melalui ketidakpastian standar, ketidakpastian master, ketidakpastian gabungan, dan ketidakpastian terentang. Hasil data pengukuran dibuat Simulasi dengan manipulasi data pada indikator digital controller E5EK Omron dengan cara mencari InsL dan InsH untuk menentukan nilai nominal temperatur.
Abstract
Temperature Calibration of PT100 and Thermocouple. The method of comparison used by comparing the calibrator
standard form of ice cubes and boiling water to E5EK Omron controllers digital indicators. Temperature measurement data is calculated through a standard uncertainty, uncertainty master, uncertainty and uncertainty combined outstretched. Simulation results of the measurement data created by the manipulation of data on indicators digital controller E5EK Omron by searching InsL and InsH nominal value of the temperature.
Keywords: calibrator standar, simulation, thermocouple
1. Pendahuluan
Setiap Instrumen Alat Ukur/sensor sebelum digunakan atau setelah digunakan pada periode tertentu (6 bulan atau 12 bulan), harus dilakukan pengukuran dan dikalibrasi sesuai standar nasional ataupun internasional. Alat ukur/sensor merupakan ujung tombak dalam kualitas produk yang dihasilkan, karena langsung berhubungan dengan proses, sehingga perlu dipelihara untuk mendapatkan umur (life time) yang panjang. Sensor temperatur pada themocouple ataupun PT100, banyak digunakan dalam industri yang menggunakan mesin pemanas, sebagai alat ukur temperatur supaya tetap stabil. Pengukuran adalah berupa proses menyatakan suatu angka secara empirik dan objektif pada kejadian nyata sedemikian rupa, sebagai angka tadi dapat menjadikan gambaran yang jelas mengenai objek atau kejadian tersebut. Kalibrasi merupakan suatu kegiatan untuk menentukan keberadaan konvensional nilai penunjukkan alat ukur dan bahan ukur berdasarkan standar [1]. Untuk proses kalibrasi, perlu ada pengukuran terlebih dahulu pada
objek yang ada misalnya pada temperatur proses. Ada beberapa metode dalam kalibrasi antara lain simulasi, perbedaan fasa. Umumnya yang banyak digunakan berupa metode kalibrasi perbandingan untuk membandingkan kalibrator standar alat ukur terhadap beban ukur yang dipakai, baru dilakukan perhitungan deviasi berdasarkan standar. Cara ini memerlukan standar kalibrator yang harus dikalibrasi di Lembaga Kalibrasi KAN/LIPI sehingga harganya mahal. Untuk kalibrasi alat ukur/sensor suhu yang berupa
thermocouple ataupun PT100 dapat menggunakan
media kalibrasi yang berupa bak air 1–100 °C, bak es 0°C.
Pemanfaatan kalibrator standar dari temperatur es (0 °C) dan temperatur suhu air mendidih (100 °C). Setelah dibandingkan dengan bahan yang diukur (PT100) baru dibuat simulasi sehingga dapat menentukan deviasi/kesalahan dari PT100 yang dilihat pada
indicator controller. Hal ini merupakan suatu ide baru
untuk menggantikan peranan kalibrator yang ada (metode Perbandingan). Indicator controller dapat diset
sesuai dengan hasil yang diperoleh dari hasil perbandingan dan simulasi [2].
Pemanfaatan dari hasil penelitian ini berupa: bahan pembelajaran Instrumentasi Industri bagi pengajar, mahasiswa listrik dan elektronik pada Jurusan Teknik Elektro. Ide baru dalam kalibrasi temperatur menggantikan cara konvensional yang berupa metode perbandingan sehingga dapat digunakan oleh teknisi industri instrumen sebagai alat ukur kalibrasi mandiri tanpa diberikan ke vendor (teknisi instrumen dari luar), sehingga akan mengurangi biaya. Cara termudah untuk mengkalibrasi temperatur (PT100, Thermocouple) yang banyak digunakan oleh industri tanpa kalibrator pembanding.
Adapun permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana membuat model kalibrasi sensor temperatur (PT100 dan Thermocouple) dengan metode perbandingan dan simulasi dari kalibrator suhu 0 °C (bak es) dan suhu 100 °C (bak air mendidih), dan membuat analisis ketidakpastian berdasarkan deviasi/kesalahan; bagaimana menetapkan parameter-parameter temperatur nominal yang diizinkan sesuai standar pada model simulasi indicator controller yang merupakan suatu nilai dari kalibrasi PT100 dan
Thermocouple. Ketidakpastian pengukuran adalah
proses mengaitkan sesuatu angka secara empirik dan obyektif pada sifat-difat obyek atau kejadian nyata sedemikian rupa sehingga angka tadi dapat memberikan gambaran yang jelas mengenai obyek atau kejadian tersebut. membuat gambaran/deskripsi; memperkirakan/ meramalkan; mengadakan komunikasi; memutuskan; mengatur/mengendalikan, dan memberikan reaksi. Hasil pengukuran harus mencantumkan suatu perkiraan yang menggambarkan seberapa besar kesalahan yang mungkin terjadi, dalam batas-batas kemungkinan yang wajar. Nilai ini sekaligus menunjukkan kualitas pengukuran. Semakin kecil nilai perkiraan itu, berarti semakin baik pula kualitas pengukurannya [3]. Kalibrasi adalah suatu kegiatan untuk menentukan kebenaran kovensional nilai penunjukkan alat ukur dan bahan ukur. Pelaksanaan kalibrasi dilakukan dengan cara membandingkan alat ukur dan bahan ukur yang akan dikalibrasi terhadap sandar ukurnya yang mampu telusur (traceable) ke standar nasional dan atau internasional. Sedangkan tujuan dengan kalibrasi dapat ditentukan deviasi kebenaran konvensinal nilai penunjukkan suatu alat ukur, atau deviasi dimensi nominal yang seharusnya suatu bahan ukur. Manfaat dengan kalibrasi kondisi alat ukur dan bahan ukur dapat dijaga tetap sesuai dengan spesifikasinya. Yang perlu dikalibrasi semua jenis alat ukur pelu dikalibrasi, baik alat ukur besaran dasar (panjang, massa, waktu, arus listrik, suhu, jumlah zat, intensitas cahaya), luas, isi, kecepatan, tekanan, gaya, frekuensi, energi, gaya dan sebagainya. Periode kalibrasi bila suatu alat ukur termasuk katagori legal, maka periode kalibrasinya telah
ditentukan, kalibrasinya tergantung pada keperluan dan atau frekuensi penggunaanya. Beberapa contoh periode kalibrasi untuk beberapa instrument ukur tertentu:
thermocouple 2 bulan; therm. controller 12 bulan;
hygrometer 6 bulan; micrometer 3 bulan; vernier caliper 12 bulan; Gauge block 24 bulan; profile proyektor 12 bulan [2]. Metode kalibrasi suhu: perbandingan; perubahan fasa (titik tetap); Ketidakpastian (pengukuran): suatu parameter berupa rentang kumpulan nilai-nilai yang dapat dianggap mencakup nilai measurement. Karena tidak mungkin melakukan pengukuran dengan ketepatan dan ketelitian yang mutlak, maka juga tidak mungkin membuat suatu benda dengan ukuran yang tepat sama dengan spesifikasi yang diminta. Memahami kenyataan ini, para perancang teknik memberikan suau batas toleransi dalam rancangan benda produksi. Batas toleransi adalah besarnya kesalahan yang paling besar yang diperkirakan atau dianggap tidak akan mengurangi mutu produk atau menggangu fungsinya. Artinya, jika terjadi kesalahan dalam proses produksi sehingga ukuran benda yang dibuat berbeda dengan ukuran dalam rancangan, diharapkan benda itu tetap dapat berfungsi asalkan kesalahannya lebih kecil dari pada toleransinya. Toleransi: Besarnya kesalahan yang diijinkan dari nilai spesifikasi. Untuk menghitung ketidakpastian pengukuran dapat berupa memperhitungkan pengaruh ketidakpastian dalam suatu pengukuran terhadap pengukuran lain yang berkaitan dengan pengukuran tersebut. Metode untuk menghitung ketidakpastian pengukuran telah dibuat oleh berbagai lembaga, namun yang digunakan sebagai acuan internasional adalah dokumen yang dikeluarkan oleh Oganisasi Standarisasi Internasoanal (ISO). Dokumen itu berjudul Guide to the
Expression of Uncertainly in Measurement (ISO GUM).
Sesuai dengan namanya sesungguhnya dokumen ini bukanlah dokumen baku (standar) yang bersifat mengikat, melainkan hanya sebuah panduan. Pedoman KAN DP.01.23 [4]. Setiap pengukuran pasti mengandung kesalahan (error). Kesalahan tersebut ditimbulkan oleh berbagai faktor diantaranya adalah: operator, instrumen ukur, kondisi lingkungan, obyek ukur, metode pengukuran. Komponen pengukuran dapat dibagi menjadi beberapa kelompok: standar atau acuan: benda ukur, peralatan, metode, lingkungan, personil atau perilaku pengukuran.
ISO guide mendefinisikan dua jenis atau katagori komponen ketidakpastian,tipe A dan tipe B yang dibedakan menurut metode evaluasinya. Tipe A dievaluasi dengan menggunakan metode statistik yang baku untuk menganalisis satu himpunan atau sejumlah himpunan pengukuran, dan mencakup jenis kesalahan yang disebut kesalahan acak. Kesalahan ini dicirikan oleh taksiran variasi atau simpangan baku, nilai rata-rata dan derajat kebebasan. Tipe B dievaluasi dengan cara selain analisis statistik pada sejumlah pengamatan. Ketidakpastian ini mencakup kesalahan yang. Dicirikan
oleh taksiran variasi atau simpangan baku, nilai rata-rata dan derajat kebebasan. Menghitung ketidakpastian pengukuran yang diuraikan dalam ISO Guide mencakup langkah-langkah evaluasi berupa: Kenali faktor-faktor yang berkontribusi pada ketidakpastian; Buat model matematik pengukuran; Cari ketidakpastian baku masing-masing komponen; Hitung ketidakpastian baku gabungan; Hitung ketidakpastian terentang dengan menggunakan factor cakupan. Sumber ketidakpastian yang paling berpengaruh dalam pengukuran adalah: Daya baca alat ukur (skala atau tampilan alat); Kebenaran nilai instrumen acuan (sertifikasi kalibrasi); Sebaran nilai-nilai pengukuran (pengukuran berulang). Model matematika pengukuran berupa persamaan yang menunjukkan hubungan antara input dan output. Nilai pengukuran = Penunjukkan alat ukur + Koreksi alat ukur [5]. Ketidakpastian baku dihitung dengan Persamaan:
Tipe A dari pengukuran berulang
n
s
u
=
Tipe B dari resolusi alat ukur
n
s
u
=
Tipe B dari sertifikasi kalibrasi
n
s
u
=
Keterangan: s = simpangan baku; n = banyaknya pengukuran; a = setengah dari resolusi terkecil yang dapat dibaca. u = nilai ketidakpastian pada tingkat kepercayaan 95% yang dicantumkan dalam sertifikat kalibrasi. Derajat kebebasan
Tipe A→ v = n – 1 Tipe B→
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
R
v
100
2
1
R = relative uncertainly Derajat kebebasan efektif:...
2 2 1 1+
+
+
=
v
U
v
U
U
v
errot c (1)Ketidakpastian baku gabungan (Combined standar
uncertainly):
Uc = C1U1 + C2U2 + C3U3 +… (2) Ketidakpastian terentang:
U = k, Uc
Ruang kepercayaan 68%, dengan faktor cakupan 1, ruang kepercayaan 95% dengan faktor cakupan 2, ruang kepercayaan 99,73% dengan faktor cakupan 3.
Evaluasi ketidakpastian tipe A. Ketidakpastian
standar tipe A dievaluasi dengan metode statistik dari suatu seri pengamatan pengukuran. Komponen evaluasi
ke...., ketidakpastian standar tipe A berasal dari efek random. Pada umumnya estimasi terbaik dari nilai suatu besaran q yang bervariasi secara random (acak) adalah nilai rata-rata q. Deviasi standar eksperimen s (q) digunakan untuk mengestimasi distribusi q; deviasi standar eksperimen dari rata-rata s (q) digunakan untuk mengestimasi selebaran distribusi rata-rata. Dalam mendokumentasikan evaluasi komponen-komponen ketidakpastian tipe A, maka derajat kebebasan harus dicantumkan.
Evaluasi ketidakpastian standar B. Evaluasi
ketidakpastian tipe B dilakukan tidak dengan cara analisis statistik dari seri pengamatan pengukuran. Tetapi dievaluasi berdasarkan penetapan secara ilmiah menggunakan informasi-informasi yang tersedia seperti: data pengukuran sebelumnya, pengalaman, sifat-sifat material/instrument secara umum, spesifikasi pabrik, data dari laporan/sertifikasi kalibrasi, data yang diambil dari buku/literatur. Dalam mempertimbangkan ketidakpastian tipe B kita harus mengubah dari ketidakpastian yang dikutip ke ktidakpastian standar, dengan cara membagi dengan faktor pengali. Dalam sertifikat kalibrasi tercantum nilai ketidakpastian sebesar 4 Pa dengan faktor pengali 2. Maka ketidakpastian standar = 2 Pa. Cara lain untuk mengubah ketidakpastian yang dikutip dari ketidakpastian standar adalah dengan cara membagi dengan suatu faktor yang bergantung pada distribusi probabilitas. distribusi probabilitas rectangular.
Ketelitian pengukuran sebuah voltmeter 0,05%, maka batas setengah interval adalah 0,005% dan ketidakpastian standar dihitung dengan rumus: U (v) = 0,005%, distribusi probabilitas triangular. Distribusi ini merupakan model yang lebih baik, jika diketahui bahwa kebanyakan nilai-nilai pengukuran mendekati pusat (center) distribusi. Ketidakpastian standar dihitung dengan membagi setengah interval (a) dengan akar enam, Distribusi probabilitas normal (Gauss). Bentuk distribusi ini digunakan untuk ketidakpastian yang mempunyai interval kepercayaan 95% atau 99%. Ketidakpastian standar dihitung dengan cara membagi ketidakpastian kutipan dengan suatu faktor. Distribusi
rectangular merupakan model yang sering digunakan
terutama bila tidak dapat diketahui model tertentu seperti model-model distribusi triangular, normal dan lainnya. Pada umumnya kita dapat mengganggap derajat kebebasan tak terhingga.
Suatu bahan ukur (sensor suhu PT100) kalibrasi kondisi alat ukur dan bahan ukur dapat dijaga tetap sesuai seperti aslinya. Semua jenis alat ukur perlu dikalibrasi baik alat ukur besaran tekanan, teperatur, level dan sebagainya [1].
Persamaan simulasi pada indicator controller menggunakan Omron Mk 500 adalah:
(
)
{
2 2(
1 1)} (
1 1)
1 1X
Y
X
Y
X
Y
Y
Y
Y
Y
I
L L SL−
−
−
−
+
−
−
=
η (3)(
)
{
2 2(
1 1)} (
1 1)
1 1X
Y
X
Y
X
Y
Y
Y
Y
Y
I
L H SH−
−
−
−
+
−
−
=
η (4)Dengan YL = set temperatur low limit, Yh = set temperatur high limit, Y1 = penunjukkan indikator
pertama, Y2 = penunjukkan indikator kedua, X1 = temperatur standar pertama, X2 = temperatur standar kedua. Dari persamaan di atas dapat dibuat simulasi pada indicator controller (Omron Type EK 500).
2. Metode Penelitian
Merancang dan membuat model kalibrasi pada sensor temperatur (PT100, dan thermocouple) dengan metode perbandingan dan simulasi. Mengimplementasikan bentuk matematika untuk proses kalibrasi dengan metode simulasi hasil dari metode perbandingan dari suatu pengukuran sensor temperatur PT100 dan
thermocouple. Sebagai langkah awal dari suatu
pembuktian teori yang dikembangkan melalui tahapan model dari kalibrasi dengan metode perbandingan dan dibuat simulasi pada indicator controller untuk sensor suhu PT100 dan thermocouple. Sebagai media pembelajaran bagi pengajar dan mahasiswa Teknik Elektro dalam mata kuliah Instrumentasi Industri, yang selama ini masih menggunakan metode perbandingan. Sebagai acuan bagi teknisi instrumen di industri akan pentingnya kalibrasi dari suatu alat ukur/sensor temperatur, dapat dikerjakan sendiri tanpa perlu kalibrator dari vendor, yang selama ini digunakan, sehingga akan menghemat waktu dan biaya.
3. Hasil dan Pembahasan
Pengambilan data di Laboratorium Elektronik dan alat yang diperlukan untuk kalibrasi temperatur berupa: master kalibrasi berupa thermos es (0 °C) dan air mendidih (100 °C) pada heater, Alat yang dikalibrasi (indikator) E5EK Omron, Pedoman pelaksanaan, kalibrasi (SOP), Pelaksanaan kalibrasi dilaksanakan pada indicator E5EK yang terpasang pada mesin yang mengatur temperatur misalnya mesin curing pada proses pembuatan ban [6-7]. Kalibrasi harus sesuai dengan bagan alir seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Data pengukuran dan analisis set-up peralatan indikator berupa E5EK Omron digital controller. Ada 3 data pengukuran: minimal, medium, dan maksimal [8-9].
Data pengukuran PT 100 setelah dikalibrasi (Gambar 2), data pengukuran PT 100 setelah dikalibrasi (Gambar 3)
Gambar 1. Bagan Alir Kalibrasi
Gambar 2. Set-up Peralatan
Perhitungan Ketidakpastian: 3 , 0 1 ) ( 100 1 2 = − − ° =
∑
∞ = i n X X C mendidih Air Usd ; 0,15 2 = =Usd Um ; 33 , 0 2 2+ = = Usd UM Uc ; Uexp=UcxK=0,65Dengan: Usd= ketidakpastian standar, Um= ketidakpastian master, Uc= ketidakpastian gabungan, Uexp= ketidakpastian terentang, tingkat kepercayaan 95% (K=2).
Dari data perbandingan dapat dibuat simulasi dengan manipulasi data pada digital controller E5EK OMRON. Setting 1. PT 100:
(
) (
)
{
2 2 1 1} (
1 1)
1 2 1 Y X Y X Y X x Y Y Y Y SL In L − − − + − − − = ...(5) 5 , 11 − = L InS(
) (
)
{
2 2 1 1} (
1 1)
1 2 1x X Y X Y X Y Y Y Y Y SH In H − − − + − − − = ...(6) 37 = H InSSetting pada level 2 digital controller = Indikator
ESEK.
Tabel 1. Data Pengukuran PT100 sebelum Dikalibrasi
Actual °C Koreksi °C Usd Um Uc Ucxp 5,0 56 5,6 6,2 0,42 0,21 0,47 0,94 106,4 107,2 107,0 10,686 0,30 0,15 0,33 0,65
Tabel 2. Data Pengukuran PT100 setelah Dikalibrasi (Gambar 2)
Master [°C]
Actual
[°C] Koreksi Usd Um Uc Uexp
0,0 Es Batu 0,0 0,1 0,2 0,1 0,05 0,025 0,056 0,1
Tabel 3. Data Pengukuran Thermocouple
Master °C
Actual °C
Koreksi Usd Um Uc Uexp 100,00 Air mendidih 98,2 97,8 98,0 98 0,14 0,07 0,156 0,31
Tabel 4. Data Pengukuran Thermocouple sebelum Dikalibrasi dengan DWT Callibrator
Master [°C]
Actual Penunjukan Koreksi
130,0 129,57 129,57 129,57 141 141 140 10,6 160,0 159,46 159,46 159,46 171 170 171 10,6 190,0 189,48 189,48 189,48 200 199 200 9,66
4. Simpulan
PT100 sebelum dikalibrasi dengan air mendidih (100 °C) Uexp = 0,65, setelah dikalibrasi mendapatkan Uexp = 0,31 dengan tingkat kepercayaan 95% (K=2). Simulasi pada kalibrasi PT100 dengan es batu dan air mendidih (100 °C) dengan manipulasi data pada indikator controller ESEK akan mendapatkan In SL =
-11,5 dan In SH = 37 pada posisi level 2. Untuk kalibrasi
temperatur PT100 dan thermocouple dapat menggunakan kalibrator standar berupa es batu (0 °C) dan air mendidih (100 °C). Hasil perhitungan ketidakpastian dari PT100 adalah dengan thermocouple adalah simulasi dengan manipulasi data pada digital
controller ESEK OMRON didapatkan: In SL= -14,2; In
SH= 102,4; terdapat pada level 2.
Daftar Acuan
[1] M.C. Douglas, Process Instrumentations and Controls Handbooks, MC Graw Hill International, Los Angeles, 2003, p.1356.
[2] R.K. Jain, Mechanical and Industrial Measurement, Khana Publishers, Delhi, 2002, p.805.
[3] C.T. Killian, Modern Control Technologi: Components and Systems, 2nd ed., Delmar Publisher/ Delmar/Thomson Learning, Singapore, 2005, p.628.
[4] KAN/BSN, Pedoman Kalibrasi Multimeter Digital (DMM), Komite Akreditasi Nasional, Jakarta, 2006, DP.yy.xx, http://www.bsn.or.id, 2006.
[5] P. Dostálek, V. Vašek, J. Dolinay, WSEAS Trans. Syst. Control, 3/9 (2008) 779.
[6] H. Fang, K. Fang, International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 3 (2010) 852.
[7] F. Carden, R. Jedlicka, R. Henry, Telemetry System Engineering, Artech House, Norwood, MA, USA, 2002, p.596.
[8] Y.C. Lim, A.Z. Kouzani, W. Duan, A. Kaynak, IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering, Gold Coast, Australia, 2010, p.396.
[9] I.T. Jolliffe, Principal Component Analysis, 2nd ed., Springer-Verlag New York Inc., New York, 2002, p.487.
[10] J.M. Vidal, P. Buhler, C. Stahl, Multi-Agent Systems with Workflows, IEEE Internet Comput. 8/1 (2004) 76.
