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, 15314

adindravickar@gmail.com

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

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.

Gambar 1. Standar Primer Tekanan Pressure Balance[2]

Nilai tekanan yang dibangkitkan oleh Pressure Balance, untuk tipe Hidraulik mode

Gauge, akan mengikuti Persamaan 1:

2011)(

.).(.)1()(

20,0 pn

af

m

aadded

tbpA

VgCgmM

p (1)

Dimana adalah jumlah massa total yang bekerja pada piston-silinder (piston, beban

DWT, bell carrier), madded merupakan massa tambahan, (1- a mi) merupakan efek

buoyansi udara dengan a merupakan densitas udara dan mi merupakan densitas masing-

masing 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, A0,20 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 piston-

silinder, 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 .

r

tatm

at

eHbarp r

15,273

(%)009024,0)(48,348 0612,0

(2)

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 .

]'00008,01[}]202/){(00078,01[)1,20( pttbarC rpff (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].

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 masing-

masing 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.

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 10-100 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 10-100 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

20% adalah 0,26 ppm pada seluruh rentang tekanan 10-100 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 10-

100 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 10-100 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 10-100 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

DWT akibat perubahan suhu piston sebesar 2 derajat adalah 18 ppm pada seluruh rentang

tekanan 10-100 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

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

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

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) 591-598.

[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.

43-54, 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.

[5] Lewis, S. and Peggs, G., 1992, The Pressure Balance Theory and Practice, National

Physical Laboratory, UK.

[6] -, 2014, I.MM.3.04. 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.