Karakterisasi Blackbody Cavity… | 33
KARAKTERISASI BLACKBODY CAVITY DARI TEMBAGA UNTUK SISTEM KALIBRASI TERMOMETER TELINGA
CHARACTERIZATION OF BLACKBODY CAVITY FROM COPPER FOR EAR TERMOMETER CALIBRATION SYSTEM
Iip Ahmad Rifai1, Aditya Achmadi1, Dwi Larassati1, Rahman Sholeh1, Melati Azizka Fajria1, Arfan Sindhu Tistomo2, Suherlan1, Muhammad Azzumar1, Hidayat Wiriadinata1, Ghufron Zaid2
1Pusat Riset dan Pengembangan SDM – BSN, Komplek Puspiptek Serpong, 2Direktorat SNSU – BSN, Komplek Puspiptek Serpong
E-mail : [email protected]
ABSTRAK
Di Indonesia, penggunaan termometer telinga sebagai alat ukur suhu tubuh sudah sangat umum di masyarakat menggantikan alat ukur suhu lain terutama termometer merkuri. Hal ini membuat pengembangan sistem kalibrasi termometer telinga dengan keakuratan tinggi merupakan suatu keharusan. Telah dibuat sistem kalibrasi termometer telinga dengan benda hitam sebagai media kalibrasi dan bak air dengan pengaduksebagai sumber panas. Pada tulisan ini, dibahas karakterisasi blackbody cavity dari tembaga untuk sistem kalibrasi termometer telinga dengan melakukan pengukuran keseragaman suhu dan pengukuran kestabilan suhu di dinding bagian dalam blackbody cavity. Dengan nilai pengukuran keseragaman suhu tersebut akan dihitung nilai emisivitas gabungan blackbody cavity tembaga untuk kalibrasi termometer telinga. Hasil pengukuran keseragaman blackbody memiliki nilai keseragaman terbesar 4,6 ºC dan nilai stabilitas 0,004 ºC pada suhu 35,5 ºC - 41,5 ºC. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa emisivitas gabungan pada dasar coneblackbody cavity hingga 0,989 pada saat isotermal dan 0,978 pada saat non-isotermal. Nilai emisivitas ini cukup mendekati nilai Planckian Radiator ideal yang bernilai 1.
Kata Kunci: termometer telinga, blackbody cavity, emisivitas gabungan
ABSTRACT
In Indonesia, the use of ear thermometers as body temperature measuring devices is very common in society replacing other temperature measuring devices, especially mercury thermometers. This makes the development of ear thermometer calibration systems with high accuracy is a must. Ear thermometer calibration system has been made with a blackbody as a calibration media and a water bath with a stirrer as a heat source. In this paper, we discuss the characterization of copper
34 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
blackbody cavity for ear thermometer calibration systems by measuring temperature uniformity and measuring temperature stability on the inner walls of the blackbody cavity. With this temperature uniformity measurement value, the combined emissivity value of copper blackbody cavity will be calculated for calibration of the ear thermometer. The measurement results of blackbody uniformity have the greatest uniformity of 4,6 ºC and stability value of 0.004 ºC. The calculation results show that the combined emissivity on the basis of the blackbody cavity cone is up to 0.989 for isothermal and 0,978 for non-isothermal.This emissivity value is quite close to the ideal Planckian Radiator value of 1.
Keywords: ear thermometer, blackbody cavity, combined emissivity
1. PENDAHULUAN
Kondisi kesehatan seseorang adalah salah satu hal yang sangat penting dalam kehidupan, salah satu parameter untuk mengetahui tingkat kesehatan seseorang dapat melalui pengukuran suhu pada fisiknya. Suhu badan manusia sehat ideal pada 36,5 ~ 37,5 °C, jika melebihi nilai suhu tersebut dapat dikatakan orang tersebut perlu mendapatkan penanganan untuk menurunkan suhu badannya agar tidak berakibat lebih fatal terhadap jiwanya. Pengukuran suhu pada tubuh manusia sangat penting sehingga diperlukan alat ukur suhu (thermometer) yang dikenal dengan termometer klinik.Termometer klinik diharuskan memiliki ketelitian yang tinggi.Jika terjadi kesalahan dalam pengukuran suhu akan mengakibatkan penanganan yang salah yang dapat berakibat fatal.
Ada berapa jenis termometer klinik, di masa lalu termometer cairan adalah
salah satu termometer klinik yang paling populer penggunaannya di dunia medis, termometer ini termasuk dalam jenis termometer kontak, termometer ini masih memiliki banyak kekurangan antara lain:
mesti menempatkan pada bagian tubuh, seperti ketiak, anus, dan mulut. Oleh karena itu dikhawatirkan sulit menjaga kebersihan dan beresiko jika cairan termometer pecah (sebagian cairan berupa merkuri yang sangat berbahaya).Saat ini pengembangan termometer klinik jenis nonkontak sangat pesat, termometer nonkontak ini biasa disebut Infrared Ear Thermometer atau termometer telinga.Termometer jenis ini lebih mudah pemakaiannya oleh kalangan umum.Selain itu lebih cepat, lebih higienis, dan lebih teliti saat melakukan pengukuran suhu.
Di Indonesia, menurut Kementerian Kesehatan RI, 76 % alat medis masih menggunakan alat kesehatan bermerkuri(Azizah, 2019). Namun,
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 35 Kementerian Kesehatan sudah
mengeluarkan surat edaran yang memuat tentang penghapusan merkuri mulai dari pelarangan produksi merkuri, penggunaan merkuri dan penggantian alat kesehatan mengandung merkuri paling lambat pada akhir tahun 2020 mendatang(Saunders, 2007). Hal ini tentu saja membuat kemungkinan semakin meningkatnya pemakaian termometer tidak bermerkuri, termasuk termometer telinga, baik oleh rumah sakit ataupun oleh masyarakat.Tentu saja pemakaian termometer telinga tersebut harus ditunjang oleh tersedianya sarana penjaminan pengukuran suhu termometer telinga ke standar suhu internasional ITS- 90. Lembaga metrologi negara-negara di dunia pun melakukannya dengan membuat sistem kalibrasi termometer telinga dan mengembangkan blackbody cavity khusus (Durmuş, Karaböce, Cetin, & özdingiş, 2018; Boles, Pušnik, Lochlainn, Fleming, Naydenova, & Martin, 2017; Kim, Yoo, Kim, Lim, & Song, 2014) kemudian melakukan komparasi laboratorium internasional untuk sistem kalibrasi yang dibuat(Fletcher, Whittam, Simpson, &
Machin, 2018; Keawprasert, Yamada, &
Ishii, 2015; Manoi, Norranim, Kaneko, &
Ishii, 2014; Pušnik, et al., 2011).
Di Indonesia sendiri penjaminan ketertelusuran suhu adalah tugas Laboratorium SNSU Suhu BSN.Untuk
termometer telinga belum ada sistem yang bisa menjamin ketertelusuran pengukuran suhu ke standar suhu internasional ITS- 90.Untuk menjaga ketertelusuran hasil pengukuran suhu termometer telingadiperlukan standar kalibrasi, kami telah membuat sistem kalibrasi termometer telinga berupa blackbody cavity yang dipadukan dengan bak cairan sebagai sumber panas dengan standar kalibrasi berupa PT-100.
Pada tulisan ini, dibahas karakterisasi blackbody cavitydari tembaga yang dibuat untuk kalibrasi ear thermometer. Karakterisasi dilakukan dengan melakukan pengukuran kestabilan blackbody cavity,pengukuran profil keseragaman permukaan dinding blackbody cavity, perhitungan emisivitas blackbody cavity, dan verifikasi pengukuran menggunakan 3 buah termometer telinga. Hasil pengukuran keseragaman blackbody memiliki nilai keseragaman terbesar 4,6 ºC dan nilai stabilitas 0,004 ºC pada suhu 35,5 ºC - 41,5 ºC. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa emisivitas gabungan pada dasar coneblackbody cavity hingga 0,989 pada saat isotermal dan 0,978 pada saat non- isotermal. Nilai emisivitas ini cukup mendekati nilai Planckian Radiator ideal yang bernilai 1 (Zhang, Tsai, & Machin , 2009).
36 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
2. DASAR TEORI
2.1. Blackbody
Blackbody adalah permukaan ideal/teoritis yang memiliki sifat-sifat tertentu, antara lain perfect absorber,yaitu menyerap seluruh radiasi yang jatuh padanya, untuk semua panjang gelombang dan arah datangnya radiasi. Sifat berikutnya adalah perfect emitter, dimana pada suhu dan panjang gelombang yang sama, blackbody mengemisikan radiasi panas lebih besar daripada benda nyata (real body). Dan yang terakhir isotropically diffuse emitter dimana radiasi panas yang diemisikan memiliki besar yang sama pada setiap arah pancaran, seperti diperlihatkan secara skematis pada Gambar 1.
Oleh karena radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi, maka radiasi spektral ke semua arah besarnya sama sehingga nilainya hanya bergantung pada suhu dan panjang gelombang, dan simbol radiansi L (θ, ϕ, , T) diubah menjadi L (, T), dengan indeks b menunjukkan blackbody sebagai sumber radiasi panas.
Dengan menggunakan mekanika kuantum, Mac Planck telah merumuskan hubungan antara suhu blackbody dengan radiasi panas yang diemisikannya dalam bentuk persamaan, seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (1):
L (λ, T) = c
λ exp − 1 (1)
dengan :
= panjang gelombang radiasi panas, m T = suhu blackbody, K
Lb(,T) = radiansi blackbody pada panjang gelombang dan suhu T, W.m-2.m-1.str-1 c1=konstanta Planck pertama (1,19×10-16 W.m2)
c2=konstanta Planck kedua (0,014388 m.K
= 14388 m.K)
Gambar 1. Besarnya radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi.
Sebagai penyerap sempurna(perfect absorber) dan emiter sempurna (perfect emitter), blackbody merupakan suatu radiator panas ideal. Tak ada benda lain yang memiliki sifat yang persis sama dengan blackbody. Berdasarkan Persamaan (1) untuk suatu nilai T tertentu, nilai radiansi hanya merupakan fungsi panjang gelombang semata sehingga dapat dibuat grafik skala logaritmik dari Persamaan (1), seperti ditunjukkan pada Gambar 2
Merata ke semua arah
Tidak merata, tergantung arah
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 37 Gambar 2.Grafik radiasi blackbody terhadap
panjang gelombang.
Pada Gambar (2) diperlihatkan hubungan antararadiansi terhadap panjang gelombang untuk beberapa nilai suhu.
Tiap nilai suhu memiliki sebuah kurva yang merupakan fungsi panjang gelombang, sebagai contoh blackbody dengan suhu 1.300 K atau sekitar 1.027 C kurvanya meliputi daerah ultraviolet, sinar tampak dan infra merah, dengan nilai radiansi maksimumnya pada sekitar panjang gelombang 2 m. Adapun pada suhu 2.800 K nilai radiansi maksimumnya berada pada sekitar panjang gelombang 1
m. Pada Gambar 3 terlihat bahwasemakin besar nilai suhunya maka panjang gelombang untuk radiansi maksimum bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek.
2.2. Benda Non Blackbody
Kemampuan suatu benda biasa untuk memancarkan radiasi panas pada suatu suhu dan panjang gelombang tertentu sama
dengan radiasi panas yang dipancarkan oleh blackbody pada suhu dan panjang gelombang yang sama dikalikan dengan suatu parameter yang disebut emisivitas (emissivity), atau:
sehingga:
= − ℎ
Ada dua jenis emisivitas, yakni emisivitas total (total emissivity)dan emisivitas spektral (spectral emissivity). Emisivitas total suatu benda didefinisikan sebagai perbandingan antara energi total persatuan luas yang dipancarkan benda tersebut dengan energi total blackbody pada suhu yang sama, atau:
ε = M
M = M
σT … … … . . [2]
dengan:
= emisivitas total benda
M= energi total persatuan luas yang dipancarkan benda, W.m-2.
Dengan demikian energi total yang dipancarkan suatu benda yang memiliki emisivitas adalah :
= … … … [3]
Adapun emisivitas spektral, (), dari suatu benda didefinisikan sebagai perbandingan antara radiansi benda tersebut dengan radiansi blackbody pada
Radiasi panas
benda biasa = emisifitas Radiasi panas Blackbody
×
38 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
suhu dan panjang gelombang yang sama, yaitu:
ε(λ) = L(λ, T)
L (λ, T) … … … . [4]
dengan :
L(λ,T) = radiasi panas benda, W.m-2.nm-
1.str-1
Lb (λ,T) = radiasi panas blackbody, W.m-
2.nm-1.str-1
Berdasarkan pada Persamaan (4), karena L(,T) < Lb(,T) maka emisivitas spektral benda biasa sebagai fungsi panjang gelombang nilainya lebih kecil daripada satu, atau () < 1. Berbeda dengan benda biasa, emisivitas blackbody didefinisikan sama dengan satu, atau bb =1, untuk semua panjang gelombang. Selanjutnya, dengan berdasarkan pada Persamaan (4), pada panjang gelombang dan suhu T radiansi spektral yang dipancarkan oleh benda yang memiliki emisivitas spektral
() adalah
( , ) = ( ) ∙ ( , ) … … … [5]
Dengan demikian, suhu suatu benda dapat diketahui dari hasil pengukuran radiasi panas blackbody asalkan emisivitas () dari benda tersebut diketahui. Kurangnya informasi tentang nilai emisivitas suatu benda dapat menyebabkan terjadinya kesalahan pada pengukuran tersebut.
Berbagai cara pengukuran dapat dilakukan untuk menentukan nilai emisivitas suatu benda, diantaranyamelalui pengukuran
dengan menggunakan termometer radiasi dan termometer kontaksecara simultan.
Selain itu, dapat juga dilakukan upaya dengan cara penaksiran, walaupun hasilnya kurang objektif, bahwa pada umumnya permukaan benda yang terlihat gelap dan kasar cenderung memiliki emisivitas yang besar (0,7 sampai dengan 1,0) dan permukaan benda yang berwarna terang dan halus cenderung memiliki emisivitas yang kecil (0,1 sampai dengan 0,4).
Notasi () menunjukkan bahwa, pada umumnya, emisivitas permukaan benda bergantung pada panjang gelombang.
Namun, ada dua benda yang memiliki emisivitas yang tidak bergantung pada panjang gelombang. Yang pertama adalah emisivitas blackbody yang sama dengan 1 untuk semua panjang gelombang. Yang kedua adalah adalah graybodyyang memiliki emisivitas yang konstan dan lebih kecil dari 1 untuk semua panjang gelombang. Ada beberapa material yang mendekati sifat dari graybody, yaitu beberapa jenis dari material graphite dan carbon compound, serta besi yang dioksidasikanmemiliki emisivitas sekitar 0,8 pada suatu rentang panjang gelombang yang lebar. Pada Gambar 3 diperlihatkan kurva radiansi dari tiga jenis benda tersebut. Oleh karena keduanya memiliki emisivitas yang tidak bergantungpada
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 39 panjang gelombang, maka blackbody dan
graybody memiliki bentuk kurva yang serupa.
Gambar 3.Kurva radians dari blackbody, graybody, dan permukaan biasa.
Namun, karena memiliki emisivitas yang lebih kecil maka pada suhu yang memiliki radiansi yang lebih kecil daripada radiansi blackbody, sehingga kurva graybody berada di bawah kurva blackbody. Berbeda dengan blackbody dan graybody, karena emisivitasnya bergantung pada panjang gelombang maka bentuk kurva radiansi permukaan biasa memiliki bentuk tersendiri seperti terlihat pada Gambar 3.
Selain pengaruh panjang gelombang, terdapat factor lain yang mempengaruhi emisivitas, di antaranya :
a. Kondisi permukaan,
contohnyalogam yang dipoles memiliki emisivitas yang lebih rendah dibandingkan bila logam tersebut permukaannya dikasarkan atau dioksidasikan
b. Sudut pandang
c. Emisivitas bahan tidak berubah selama sudut pandang disekitar 45O terhadap normal
d. Lebar pita (bandwidth) panjang gelombang
Emisivitas bahan tidak banyak berubah terhadap suhu bila digunakan termometer yang bekerja pada lebar- pita yang sempit.
Radiasi panas yang dipancarkan suatu benda yang memiliki emisivitas ε(λ) dan suhu Ts sama dengan yang dipancarkan oleh blackbody pada suhu T, dimana T<Ts, atau:
( , ) = ( ) ∙ ( , ) … … … . [6]
T disebut sebagai suhu radians (radiance temperature) dari benda riel yang memiliki suhu Ts. Oleh karena dalam pembuatannnya thermometer infra merah dikalibrasi terhadap blackbody, yang memiliki emisifitas mendekati satu, maka bila emisivitas thermometer infra merah diset sama dengan 1, nilai suhu yang ditampilkan pada layar temometer infra merah tersebut adalah suhu radians.
2.3. Blackbody Praktis
Sebagai penyerap panas sempurna (perfect absorber) dan pemancar panas yang sempurna (perfect emitter), blackbody merupakan radiator panas ideal. Tak ada permukaan yang memiliki sifat yang persis sama dengan blackbody. Namun demikian,blackbody dapat didekati dengan
Panjang gelombang, m
= 1 ( blackbody )
< 1 ( graybody)
bervariasi sesuai panjang gelombang
40 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
suatu rongga kedap cahaya (opaque enclosure) yang seluruh permukaan dalamnya memiliki suhu yang sama (isothermal surface). Skema rongga tersebut diperdiperlihatkan pada Gambar 4. Blackbody praktis merupakan pendekatan dari blackbody ideal.
Pendekatan ini mengacu pada dua sifat utama dari blackbody ideal, yaitu perfect absorber dan perfect emmiter.
Agar dapat memenuhi kedua sifat utama tersebut maka bentuk blackbody praktis mengikuti pola permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Agar memenuhi pola tersebut maka blackbody praktis berbentuk cavity. Selain itu, supaya emisivitasnya tidak bergantung pada panjang gelombang maka sebagai cavity cavity yang dipilih adalah logam grayody seperti graphite atau logam yang telah dioksidasi.
Gambar 4. Rongga pendekatan blackbody
Disamping itu, agar radiasi yang masuk ke dalam rongga tidak ada yang memantul keluar rongga, sehingga rongga dapat berfungsi sebagai perfect absorber, maka dimensi rongga dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki jari-jari bukaan r yang relatif kecil bila dibandingkan dengan kedalaman rongga R. Lihat Gambar 5.
Gambar 5. Skema blackbody cavity
Sebagi contoh untuk memperoleh emsivitas sebesar 0,998 dengan emisivitas bahan 0,9maka besarnya perbandingan antara r dan R adalah 1 berbanding 8. Bila nilai perbandingan tersebut dibuat semakin besar dan permukaan belakang rongga (bottom surface) dibuat membentuk sudut 120 maka proses refleksi yang terjadi di dalam rongga dapat mempersulit keluarnya radiasi yang telah masuk untuk keluar lagi melalui lubang rongga. Dengan demikian maka nilai emisivitasnya semakin membesar dan mendekati 1 sehingga semakin mendekati emisivitas blackbody ideal. Gambar 5 menunjukkan skema blackbody cavity, sedangkan pada Lb,besarnya sama ke setiap arah
aperture
Permukaan Isothermal
r
R 120
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 41 Gambar 6. ditunjukkan contoh blackbody
cavity.
Gambar 6. Contoh blackbody cavity
Tungku akan memanaskan blackbody cavity sehingga rongga tersebut memiliki suhu tertentu dan kemudian dipancarkannya sebagai radiasi panas melalui bukaan rongga. Disamping itu, agar radiasi panas yang dipancarkannya tersebut mendekati sifat pancaran blackbody teoritis, sehingga rongga dapat berfungsi sebagai perfect emmiter, maka suhu tungku harus merata sedemikian rupa sehingga dapat membuat suhu rongga merata pula pada seluruh permukaannya.
Secara sederhana emisifitas blackbody cavity dapat didekati berdasarkan pada Persamaan (7):
= 1 − (1 − ) … … … . [7]
dengan
ɛ = emisivitas blackbody cavity ɛs= emisivitas bahan
Persamaan 7 hanya
memperhitungkan factor dimensi rongga
dan emisivitas bahan, sedangkan beberapa faktor lain belum diperhitungkan, diantaranya faktor refleksi yang mungkin terjadi pada rongga dan faktor keseragaman suhu di sekeliling blackbody cavity. Salah satu contoh sederhana apabila kita menghitung emisivitas blackbody cavity yang terbuat dari bahan Inconel yang permukaannya dikasarkan dan dioksidasi, bila diameter bukaan r = 0,5 cm, panjang R = 10 cm dan emisivitas bahan s = 0,9, maka nilai emisivitas blackbody cavity Inconel tersebut adalah:
= 1 – 0,1 x 0,52/102 = 0,99975. Dari nilai emisivitas yang mendekati nilai 1 ini terlihat bahwa blackbody cavity mendekati sifat blackbody ideal. Perhitungan emisivitas yang lebih lengkap adalah dengan metode Integrative-Cavity dimana factor-faktor lain seperti refleksi telah diperhitungakan.
Salah satu cara lain yang lebih kompleks yang banyak digunakan untuk menghitung nilai emisivitas adalah dengan metode Integrative-Cavity, metode ini menggambarkan pertukaran radiasi antara permukaan secara analitis. Metode Integrative-Cavity melakukan pendekatan perhitungan nilai emisivitas local εx pada segmen tertentu di posisi x dan suhu T dengan menjumlahkan seluruh komponen radiasi n segmen yang mencapainya.
Untuk kondisi non-isothermal (T(x) ≠
42 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
T0)dan pantulan menyebar (diffuse reflection)(ε ≠ f(α)), nilai emisivitas didekati dengan persamaan :
( , ) = ( ) ( )
( )+ 1 − ( )
∙ , ∙ , (9)
Blackbody cavity yang dibuat pada penelitian ini berupa cylindrical cone cavity dengan conical aperture karena tipe inimemiliki akurasi yang lebih bagus bila dibandingkan dengan tipe lainnya, pada penelitian ini dibuat dari bahan aluminium yang dianodize kemudian digabungkan dengan bak cairan sebagai sumber panas sehingga dihasilkan sebuah media kalibrasi untuk sistem kalibrasi ear thermometer.
3. METODOLOGI
Penelitian ini dilakukan pada tahun 2019 di Laboratorium SNSU Badan Standardisasi Nasional. Penelitian berupa pembuatan blackbody cavity ini diperlukan untuk sistem kalibrasi termometer telinga.
Skema blackbody cavity yang dibuat berupa cylindrical cone cavity dengan conical aperture sesuai dengan desain dasar dari JIS T 4207 2005 tentang Ear thermometer(JIS T 4207:2005, 2005).
Desain JIS T 4207 2005 dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Skema blackbody cavity JIS T 4207 2005
Dari skema dasar JIS T 4207 2005 dikembangkan skema dengan ukuran yang berbeda dengan tujuan untuk memperbesar nilai emisivitas gabungan sistem kalibrasi.
Skema yang telah dibuat di penelitian ini ditunjukkan padaGambar 8. Skema kalibrasi termometer telinga ini terdiri dari sebuah bak cairan sebagai sumber panas blackbody cavity tembaga yang dicelupkan ke bak cairan, standar kalibrasi berupa termometer tahanan platina (TTP), digital ohmmeter dan PC untuk merekam data dari TTP.Karakterisasi blackbody cavity untuk sistem kalibrasi termometer telinga dilakukan dengan melakukan pengukuran kestabilan suhu blacbody, pengukuran profil keseragaman permukaan dinding blackbody cavity, perhitungan nilai emisivitas, dan verifikasi dengan thermometer telinga.
3.1 Pengukuran Kestabilan Blackbody Cavity
Pengukuran kestabilan blackbody dilakukan di dasar blackbodycavity setiap 3 detik selama 30 menit untuk
Unit dalam mm
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 43 menghasilkan 600 data pengukuran pada
suhu 35,5 °C, 37 °C dan 41,5 °C dengan TTP 1.
3.2 Pengukuran Profil Keseragaman Permukaan Dinding Blackbody Cavity PenguPengukuran profil keseragaman permukaan dinding blackbody cavity dilakukan dengan 2 TTP, TTP 1 sebagai acuan ditempatkan pada posisi yang tetap dan TTP 2 digunakan untuk pengukuran profil keseragaman permukaan dinding blackbody cavity. Pengukuran dilakukan dengan cara pemindahan sensor termometer tahanan platina pengukur (TTP2) secara vertikal tiap 1 cm keatas dengan posisi termometer tahanan platina acuan (TTP1) ditempatkan pada posisi yang tetap.
3.3. Perhitungan Emisivitas Blackbody Cavity
Perhitungan emisivitas dilakukan dengan 2 cara, secara isothermal (secara teori dimana suhu permukaan dinding blackbody cavity dianggap sama) dan non- isotermal (suhu permukaan dinding blackbody sesuai dengan hasil pengukuran pengukuran profil keseragaman suhu permukaan dinding blackbody cavity).
Perhitungan emisivitas dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak “Blackbody emissivity software” versi 1.2, dibuat oleh
the Measurement Standards Laboratory of New Zealand (Saunders, 2001)
Gambar 8.Skema pengukuran karakterisasi blackbody cavity
3.4 Verifikasi Blackbody Cavity
Verifikasi blackbody cavityyang dibuat dilakukan dengan melakukan pengukuran menggunakan 3 buah termometer radiasi berupa termometer telinga dengan no seri ET01, ET02 dan ET03.Sistem untuk verifikasi dapat dilihat di gambar 9.
Gambar 9.Skema Pengukuran karakterisasi blackbody cavity
Pembacaan termometer telinga dibandingkan dengan nilai radiansi pembacaan TTP1 yang tercelup ke cairan
44 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
di bak sebagai acuan untuk mendapatkan nilai koreksi.
Namun radiasi panas yang yang dipancarkan oleh blackbody cavity tidak hanya berasal dari benda tersebut tapi disertai pula dengan radiasi panas yang datang dari benda lain yang dipantulkan oleh benda tersebut dan juga pengaruh perubahan panas dari detektor saat
digunakan untuk mengukur suhu (Nicholas
& White, 2001; Saunders, 2001; Saunders, , 2007). Untuk suhu sampai dengan 500°C pengaruh detektor ini cukup signifikan sehingga dalam perhitungan tidak dapat diabaikan(Saunders, 2001) sehingga Persamaan (5 ) menjadi :
, ′ = ∙ , ′ +(1 − )
∙ ( , )− ( , ) (10)
Gambar 10. Skema radiasi panas dengan termometer radiasi.
Bila benda dengan emisivitas s dan bersuhu Ts diukur dengan termometer radiasi maka output dari detektor termometer radiasi tersebut adalah :
∙ ( ) + (1 − ) ∙ ( )
− ( ) (11) dengan
( ) = ( ) ( , )
S() = renspons spektral radiasi
k = konstanta yang bergantung pada sifat geometrik, optik dan elektrik dari radiasi.
Sistem elektronik termometer radiasi akan mengolah Sukur menjadi besaran suhu misalkan Texp, berdasarkan persamaan (12) :
Bila benda dengan emisivitas s dan bersuhu Ts diukur dengan termometer radiasi maka output dari detektor termometer radiasi tersebut adalah :
∙ ( ) + (1 − ) ∙ ( )
− ( ) (11) dengan
( ) = ( ) ( , )
S() = renspons spektral radiasi
k = konstanta yang bergantung pada sifat geometrik, optik dan elektrik dari radiasi.
Sistem elektronik termometer radiasi akan mengolah Sukur menjadi besaran suhu misalkan Texp, berdasarkan persamaan (12) :
.S(Ts) + (1- ).S(Tamb) - L(,Td)
i , i
L(,Td) Ts, s
sLb(,Ts )+ (1- ).L(,Tamb) Sistem elektronik
L(,Tamb)
Tukur OC
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 45
= + ( )
= ( ) + (1 − ) ( ) − (1 − ) ( )
= ( ) +(1 − )
[ ( ) − ( )]
+( − )
[ ( )
− ( )] (12)
dengan : ɛinstr = emisivitas termomter radiasi Texp adalah nilai penunjukkan yang diharapkan muncul pada layar termometer radiasi (expected reading) pada saat termometer dengan emisivitas instr mengukur suhu benda yang memiliki suhu Ts dan emisivitas benda ɛs.
Konveris dari S(Texp) menjadi Texp dengan:
= 2
∙ ( exp )+ 1
− … … . . . [13]
Nilai konstanta A,B dan C merupakankarakteristik dari termometer infra merah, dan diperoleh berdasarkan pada nilai spektral respon yang dimiliki oleh termometer infra merah tersebut, yaitu:
= 1 − 6 , =
2 dan
= 1 = Δ
√12
Untuk verifikasi blackbody cavity yang dibuat, nilai koreksi 3 buah termometer telinga didapat dengan membandingkan
nilai Texp dengan nilai hasil pengukuran termometer telinga.
Gambar 11.Respons spektral termometer radiasi
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Blackbody cavity yang telah berhasil dibuat dari penelitian ini ditunjukan oleh Gambar 12. Blackbody cavity yang dibuat digabungkan dengan bak cairan sebagai sumber panas, bak cairan ini memiliki sistem overflow, dimana cairan dapat didorong ke titik tertinggi bak sehingga seluruh bagian cavity tercelup oleh cairan.
Gambar 12.Blackbody cavity dari tembaga
Tambahan di sekeliling atas cavity dibuat sebagai alat bantu untuk penyangga.
Tambahan penyangga ini diperlukan agar cavity tidak jatuh kebawah karena bentuk
Transmisi %
0
46 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
bak cairan yang ada di Laboratorium SNSU Suhu BSN mempunyai lubang di atas. Gambar 13 menunjukkan skema ukuran blackbody cavity yang telah dibuat.
Gambar 13. Skema Blackbody cavity
Skema blackbody cavity yang dibuat dari tembaga dirancang dengan tambahan penyangga juga sangat membantu apabila laboratorium kalibrasi di Indonesia yang ingin mengembangkan sistem kalibrasi termometer telinga.Laboratorium kalibrasi cukup menyediakan blackbody cavity,selanjutnya menyatukannya dengan bak cairan yang pada umumnya sudah dimiliki di tiap laboratorium kalibrasi.
Karakterisasi blackbody cavity dilakukan di tiga titik suhu sesuai dengan panduan APMP.T-S15: “APMP supplementary comparison of blackbody for clinical infraredear thermometers”, yaitu di 35,5 °C, 37 °C dan 41,5 °C.
Pengukuran blackbody cavity dilakukan dengan menggunakan 2 buah termometer tahanan platina (TTP), TTP 1 adalah merk ISOTECH tipe 935-14-112 No.Seri : 39309-2 dan TTP adalah 2 merk ISOTECH tipe 935-14-112 No.Seri : 39309-2 yang tertelusur ke SNSU BSN yang memilki ketidakpastian 0,03°C dengan faktor cakupan 2.
Pengukuran kestabilan dilakukan di dasar blackbodycavity setiap 3 detik selama 30 menit pada semua posisi titik ukurnya. Pengukuran kestabilan diambil dari nilai standar deviasi terbesar penunjukkan TTP 1. Hasil pengukuran kestabilan blackbody cavity dengan menggunakan TTP 1 pada titik pengukuran suhu 35,5 °C, 37 °C dan 41,5
°C ditunjukkan pada Gambar 11, 12 dan 13. Nilai stabilitas pada suhu 35,5 °C adalah 0,00373 °C, pada suhu 37 °C adalah 0,00373 °C dan 41,0°C adalah 0,00363 °C. Dengan demikian, secara keseluruhan nilai stabilitas terbesarnya adalah 0,004 °C pada suhu 35,5 °C, 37 °C dan 41,5 °C
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 47 Gambar 14. Kestabilan Blackbody pada suhu 35,5°C
Gambar 15. Kestabilan Blackbody pada suhu 37°C
Gambar 16. Kestabilan Blackbody pada suhu 41,5°C
35,54 35,545 35,55 35,555 35,56 35,565 35,57
0 100 200 300 400 500 600
Suhu (°C)
Jumlah data
Kestabilan blackbody disuhu 35,5 °C
37,24 37,245 37,25 37,255 37,26 37,265 37,27
0 100 200 300 400 500 600
Suhu (°C)
Jumlah data
Kestabilan blackbody disuhu 37 °C
41,545 41,55 41,555 41,56 41,565 41,57
0 100 200 300 400 500 600
Suhu (°C)
Jumlah data
Kestabilan blackbody disuhu 41,5 °C
48 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Pengukuran profil keseragaman permukaan dinding blackbody cavity dilakukantitik pengukuran suhu 35,5 °C, 37 °C dan 41,5 °Cdengan 2 termometer tahanan platina, TTP 1 dan TTP 2. TTP 1 sebagai acuan tetap mengukur suhu di ujung dasar blackbody cavity (titik 0 = T0) dan TTP 2 melakukan pengukuran suhu
dengan ditarik keatas (vertikal) tiap 1 cm (titik 1 = T1) sampai ujung blackbody (T12). Nilai keseragaman merupakan selisih penunjukkan nilai TTP 1(T0) pada posisi 0 cm dengan penunjukkan TTP 2 (Tx)pada setiap posisi titik ukur berdasarkan pengukuran secara vertical.
Gambar 17.Grafik Profil Suhu Dinding Blackbody Cavity
Hasil T0-Tx pada tiap titik pengukuran suhu dapat dilihat pada Gambar 17.Untuk perhitungan emisivitas, hasil tersebut kemudian diplot persamaan pangkat 3-nya. Pada titik 35,5 didapatkan persamaan y = 0,0003x3 + 0,0111x2 - 0,0163x + 0,013, pada titik 37 °C didapatkan persaman y = 0,0013x3 - 0,0023x2 + 0,0695x + 0,0121dan pada titik 41,5 °C didapatkan persamaan y = 0,0033x3 - 0,0237x2 + 0,1708x - 0,0197.
Dengan nilai terbesar keseragaman suhu 4,6°C.
Perhitungan emisivitas blackbody cavity secara non-isotermal dengan profil dinding blackbody cavity hasil pengukuran memiliki persamaan y = 0,0033x3 - 0,0237x2 + 0,1708x - 0,0197 dan nilai emisivitas bahan tembaga (Ԑ) adalah 0,88 menghasilkan nilai emisivitas efektif 0,978 di ujung dasar blackbody. Ada perbedaan nilai emisivitas 0,011 antara nilai
y = 0,000x3+ 0,011x2- 0,016x + 0,013 y = 0,001x3- 0,002x2+ 0,069x + 0,012 y = 0,003x3- 0,023x2+ 0,170x - 0,019
0 1 2 3 4 5
0 2 4 6 8 10 12
T0-Tx (°C)
Jarak dari ujung blackbody (cm)
Profil Suhu Dinding Blackbody
31,5 °C 37 °C 41,5 °C
emisivitas teoritis isotermal dengan nilai non-isotermal hasil pengukuran karena nilai keseragaman blackbody cavity Tx) yang cukup besar (4,6°C).
Gambar 18. Nilai perhitungan emisivitas blackbody cavity secara isothermal
Gambar 19.Nilai perhitunga emisivitas blackbody cavity secara non-isothermal.
Karakterisasi Blackbody Cavity emisivitas teoritis isotermal dengan nilai
isotermal hasil pengukuran karena blackbody cavity (T0-
C).
Nilai perhitungan emisivitas secara isothermal
Nilai perhitunga emisivitas isothermal.
Verifikasi dengan 3 buah termometer mendapatkan nilai koreksi pada
0,06 - 0,12 °C dengan ketidakpastian sekitar 0,078 - 0,080
masih sesuai dengan per
sebesar 0,2 °C (JIS T 4207: 2005 E1965 - 98(2016).
Nilai 0,978 emisivitas non hasil pengukuran ini
Planckian Radiator ideal
Penyebab nilai tersebut adalah nilai emisivitas permukaan bahan tembaga yang kecil (Ԑ = 0,88) dan nilai keseragaman blackbody cavity (T0-Tx
(4,6 °C). Untuk menaikan nilai emisivitas permukaan bahan diperlukan proses lanjutan pada blackbody
anodisasi (anodizing
pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu. Untuk tembaga tidak dapat dilakukan anodisasi sehingga pilih
meningkatkan nilai emisivitas hanyalah dengan pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu.Akan tetapi, sampai tulisan ini dibuat penulis masih kesulitan untuk mendapatkannya.
Nilai 0,978 emisivitas non hasil pengukuran ini
Planckian Radiator ideal
Penyebab nilai tersebut adalah nilai emisivitas permukaan bahan tembaga yang kecil (Ԑ = 0,88) dan nilai keseragaman blackbody cavity (T0-Tx
Blackbody Cavity… | 49 dengan 3 buah termometer
oreksi pada kisaran C dengan ketidakpastian 080 °C, nilai tersebut masih sesuai dengan persyaratan toleransi JIS T 4207: 2005, ASTM
Nilai 0,978 emisivitas non-isotermal hasil pengukuran ini mendekati nilai ideal yang bernilai 1.
Penyebab nilai tersebut adalah nilai emisivitas permukaan bahan tembaga yang 0,88) dan nilai keseragaman
x) yang cukup besar C). Untuk menaikan nilai emisivitas permukaan bahan diperlukan proses blackbody, biasanya berupa anodizing)anodizing atau pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu. Untuk tembaga tidak dapat dilakukan anodisasi sehingga pilihan untuk meningkatkan nilai emisivitas hanyalah dengan pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu.Akan tetapi, sampai tulisan ini dibuat penulis masih kesulitan
emisivitas non-isotermal hasil pengukuran ini mendekati nilai ideal yang bernilai 1.
Penyebab nilai tersebut adalah nilai emisivitas permukaan bahan tembaga yang 0,88) dan nilai keseragaman
x) yang cukup besar
50 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
(4,6 °C). Untuk menaikan nilai emisivitas permukaan bahan diperlukan proses lanjutan pada blackbody, biasanya berupa anodisasi (anodizing)anodizing atau pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu. Untuk tembaga tidak dapat
dilakukan anodisasi sehingga pilihan untuk meningkatkan nilai emisivitas hanyalah dengan pelapisan cat khusus dengan emisivitas tertentu.Akan tetapi, sampai tulisan ini dibuat penulis masih kesulitan untuk mendapatkannya.
Gambar 20.Hasil verifikasi blackbody cavity yang dibuat.
5. KESIMPULAN
Dari penelitian dapat disimpulkan bahwa blackbody cavity yang dibuat berupa cylindrical cone cavity dengan conical aperture dapat memiliki emisivitas efektif hingga mencapat 0,989 pada saat isotermal dan 0,978 pada saat non-isotermal di titik tengah dasar cavity. Blackbody cavity memiliki keseragaman terbesar 4,6 ºC dan nilai stabilitas 0,004 ºC pada suhu 35,5 ºC - 41,5 ºC.Untuk lebih meningkatkan nilai emisivitas efektif sehingga dapat digunakan sebagai media kalibrasi
termometer telinga yang baik,blackbody cavity dapat dilapisi dengan cat khusus yang memiliki emisivitas efektif tinggi, sehingga sebuah sistem kalibrasi termometer telinga pun dapat dibangun dengan media berupa blackbody cavity yang memiliki emisivitas efektif tinggi dan bak cairan sebagai sumber panas.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih penulis ucapkan kepada pemberi dana penelitian yaitu Program Insentif Riset Sistem Inovasi
-0,14 -0,12 -0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08
35 36 37 38 39 40 41 42
Koreksi, oC
Suhu, oC
Verifikasi 3 buah termometer telinga
ET01 ET02 ET03
Karakterisasi Blackbody Cavity… | 51 Nasional (INSINAS) Pendanaan Tahun
2019 dari Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi sebagai penyandang dana dari penelitian ini, kepada pimpinan BSN dan jajaran manajemen yang telah menyediakan sarana dan prasarana untuk melaksanakan penelitian ini. Terima kasih juga penulis ucapkan Acep Sujita dan rekan-rekan laboratorium SNSU suhu yang telah memberikan bantuan dalam penelitian ini.
7. DAFTAR PUSTAKA
ASTM E1965-98. (2016). Standard Specification for Infrared Thermometers for Intermittent Determination of Patient Temperature. West Conshohocken:
ASTM International.
Azizah, K. N. (2019, July 30). Detikhealth.
Retrieved February 12, 2020, from detik.com:
https://health.detik.com/berita- detikhealth/d-4645179/termometer- merkuri-bakal-dilarang-rs-yang- masih-pakai-bisa-turun-akreditasi Boles, S., Pušnik, I., Lochlainn, D. M.,
Fleming, D., Naydenova, I., &
Martin, S. (2017). Development and Characterisation of a Bath- Based Vertical Blackbody Cavity Calibration Source for Range -30
°C to 150 °C. Elsevier, 121-127.
Durmuş, H. O., Karaböce, B., Cetin, E., &
özdingiş, M. (2018). Calibration System Established at TUBITAK UME for Infrared Ear
Thermometers (IRETs). Medical Technologies National Congress (TIPTEKNO), (pp. 1-4). Cyprus.
Fletcher, T., Whittam, A., Simpson, R., &
Machin, G. (2018). Comparison of Non-Contact Infrared Skin Thermometer. Journal of Medical Engineering & Technology, 65-71.
Ishii, J., Fukuzaki, T., Kojima, T., & Ono, A. (2001). Calibration of Infrared Thermometers. TEMPMEKO, (pp.
729-734). Berlin.
Ishii, J., Fukuzaki, T., McEvoy, H. C., Simpson, R., Machin, G., Hartmann, J., et al. (2004). A Comparison of The Blackbody Cavities for Infrared Thermometers of NMIJ, NPL , and PTB.
TEMPMEKO (pp. 1093-1098).
Zagreb: LPM.
JIS T 4207:2005. (2005). Infrared Ear Thermometer. Japanese Standard Asociation.
Keawprasert, T., Yamada, Y., & Ishii, J.
(2015). Pilot Comparison of Radiance Temperature Scale Realization NIMT and NMIJ.
International Journal Thermophys, 315-326.
Kim, G. J., Yoo, Y. S., Kim, B. H., Lim, S.
D., & Song, J. H. (2014). A small- size transfer blackbody cavity for calibration of infrared ear thermometers. Physiological Measurement, 753-762.
Manoi, A., Norranim, U., Kaneko, Y., &
Ishii, J. (2014). Bilateral Comparison of Blackbodies for Clinical Infrared Ear
52 | Instrumentasi, Vol. 44 No. 1, 2020
Thermometers between NIMT and NMIJ. International Journal of Thermophysics, 485-492.
Nicholas, J. V., & White, D. R. (2001).
Traceable Temperature. In J. V.
Nicholas, & D. R. White, Traceable Temperature.
Amsterdam: Academic Press.
Pušnik, I., Clausen, S., Favreau, J. O., Gutschwager, B., Do˘gan, A. K., Diril, A., et al. (2011). Comparison of Blackbodies for Calibration of Infrared Ear Thermometers.
International Journal Thermophys, 128-138.
Sakuma, F., & Kobayashi, M. (1997).
Interpolation Equation of Scales of Radiation Thermometers.
TEMPMEKO : Sixth Internationa Symposium on Temperatire and Thermal Measurements in Industry and Science, (pp. 305-310). Torino.
Sakuma, F., & Ma, L. (2004). Cavity Emissivity of a Fixed-Point Blackbody. SICE 2003 Annual Conference (pp. 2187-2190).
Fukui: IEEE.
Saunders, P. (2001). Reflection Errors for Low-Temperature Radiation Themometers. TEMPMEKO, (pp.
149-154). Berlin.
Saunders, P. (2007). Radiation Thermometry: Fundamentals and Applications in Petrochemical Industry. Bellingham: SPIE.
Saunders, P. (2016). MSL Technical Guide 35 : Emissivity of Blackbody Cavities. MSL New Zealand.
ToolBox, E. (n.d.). Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications. Retrieved February 2020, from The Engineering ToolBox:
https://www.engineeringtoolbox.co m/emissivity-coefficients-
d_447.html
Yoon, H., Gibson, C., & Johnson, B.
(2001). On The Determination of Emissivity of The Variable Temperature Blackbody Used in The Disseniation of The US National Scale of Radiance Temperature. TEMPMEKO, (p.
221). Berlin.
Zhang, Z., Tsai, B., & Machin , G. (2009).
Radiametric Temperature Measurement 1st Edition.
Cambridge: Academic Press.
