PENINGKATAN KEMAMPUAN KALIBRASI STOPWATCH-TIMER …

| 9

A. PENDAHULUANStopwatch dan timer banyak digunakan dalam berbagai aspek kegiatan manusia, mulai dari kegiatan olahraga, fasilitas kesehatan, hingga kegiatan produksi di berbagai bidang industri. Stopwatch merupakan alat yang digunakan untuk mengukur interval waktu, yaitu selang waktu antara dua peristiwa atau waktu yang telah berlalu saat suatu peristiwa terjadi (Blair, 1974). Satuan dasar dari interval waktu dalam sistem internasional satuan (SI) adalah sekon (s). Satu sekon didefinisikan sebagai durasi atau interval waktu dari 9 192 631 770 periode radiasi yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat energi hiperhalus pada keadaan

dasar atom cesium-133 (NIST, 1999). Hasil pengukuran interval waktu sangat bergantung pada kemampuan ukur dari stopwatch atau timer sebagai alat ukurnya. Beberapa parameter yang berpengaruh terhadap hasil pengukuran interval waktu, di antaranya kestabilan, akurasi, dan resolusi alat ukur.

Kalibrasi stopwatch dan timer merupakan cara untuk memantau kemampuan pengukuran dari stopwatch dan timer agar terbangun rantai ketertelusuran stopwatch-timer ke standar utama waktu. Sama halnya dengan sistem kalibrasi besaran ukur lainnya, kalibrasi stopwatch-timer adalah proses membandingkan hasil pengukuran antara stopwatch atau timer yang dikalibrasi

PENINGKATAN KEMAMPUAN KALIBRASI STOPWATCH-TIMER DIGITAL 3 DIGIT DI PUSLIT METROLOGI-LIPI MELALUI METODE TOTALIZEDIMPROVING CAPABILITY OF 3 DIGITS DIGITAL STOPWATCH-TIMER CALIBRATION IN RCM-LIPI BY TOTALIZED METHOD

Asep Hapiddin, A. M. Boynawan, Ratnaningsih, Yulita I. P, Swivano AgmalPuslit Metrologi-LIPI, Kompleks Puspiptek, SerpongTangerang Selatan, Banten, Indonesia 15314Posel: [email protected]

ABSTRAK

Kemampuan RCM-LIPI dalam lingkup kalibrasi stopwatch-timer telah ditingkatkan melalui metode totalized. Dalam penelitian ini, telah dibandingkan hasil pengukuran dengan menggunakan metode perbandingan langsung dan metode totalized menggunakan unit under test (UUC) yang sama, yaitu jam sukat (stopwatch) digital Casio 401Q21R dengan resolusi 10-3 dan juga dengan titik ukur yang sama. Pengukuran dalam metode kalibrasi langsung maupun metode totalized dilakukan dengan lima kali pengambilan data untuk setiap titik ukur, yaitu 10 s, 20 s, 30 s, 40 s, 50 s dan 60 s. Nilai ketidakpastian pengukuran telah berhasil ditingkatkan satu peringkat. Nilai ketidakpastian standar deviasi dari waktu reaksi pelaksana kalibrasi (uHRTSD) memiliki pengaruh signifikan terhadap ketidakpastian gabungan. Hasil perhitungan uHRTSD pada sistem kalibrasi dengan metode totalized lebih baik dibandingkan sistem kalibrasi menggunakan metode perbandingan langsung.

Kata kunci: stopwatch-timer, metode totalized, metode perbandingan langsung

ABSTRACT

RCM-LIPI’s capability in the field of stopwatch-timer calibration has improved through totalized method. In this study, we compared the measurement results using the direct comparison and totalized method, using the same unit under test (UUC) which is the Casio 401Q21R digital stopwatch with 10-3 resolution and also with the same measuring point. Measurements in both direct and totalized calibration methods were performed with five data retrievals for each measuring point, i.e. 10 s, 20 s, 30 s, 40 s, 50 s and 60 s. The value of the measurement uncertainty has been successfully improved one order of magnitude. As a result, the human reaction time standard deviation, HRTSD: uHRTSD has significant influence to the combined uncertainty. The result of calculation of uHRTSD in calibration system using totalized method is better than calibration system using direct comparison method.

Keywords: stopwatch-timer, totalized method, direct comparisson method

10 | Instrumentasi, Vol. 42 No. 1, 2018

(Unit Under Calibration/UUC) dan suatu alat ukur referensi. Alat standar yang memiliki re-solusi dan akurasi lebih baik serta ketidakpastian pengukuran lebih kecil dari UUC merupakan referensi pengukuran yang digunakan dalam suatu sistem kalibrasi. Terdapat beberapa metode kalibrasi stopwatch-timer, di antaranya metode perbandingan langsung, metode totalized, dan metode time base (Gust, Graham & Lombardi, 2004).

Kalibrasi stopwatch dan timer merupakan salah satu dari layanan kalibrasi untuk lingkup waktu dan frekuensi yang ada di Subbidang Metrologi Waktu dan Frekuensi, Pusat Penelitian Metrologi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (P2M-LIPI). Lebih dari satu dekade P2M-LIPI melayani kalibrasi stopwatch dan timer. Dalam kurun waktu tersebut digunakan metode perbandingan langsung (direct comparison), yaitu dengan membandingkan hasil pengukuran stopwatch-timer UUC dengan penunjukan waktu pada standar utama jam atom Cesium HP 5071A.

Laboratorium Metrologi Waktu dan Frekuensi telah mengaplikasikan metode per bandingan langsung (direct comparison) dalam mengalibrasi stopwatch dan timer hingga tahun 2014. Selanjutnya, dalam upaya meningkatkan kemampuan kalibrasi stopwatch-timer di Laboratorium Waktu dan Frekuensi P2M-LIPI, sejak 2015 telah dilakukan penelitian dan pengaplikasian metode totalized sebagai metode kalibrasi stopwatch-timer dengan tujuan memperbaiki nilai ketidakpastian pengukuran dalam sistem kalibrasi tersebut. Dalam jurnal ini disampaikan hasil penelitian yang telah dilakukan melalui analisis ketidakpastian dari sistem kalibrasi stopwatch-timer metode totalized dengan metode direct comparison di P2M-LIPI.

B. TINJAUAN PUSTAKA

1. Cara Kerja Stopwatch-Timer

Di dalam alat ukur waktu, seperti jam, stopwatch, dan timer, terdapat dua komponen utama, yaitu oscillator (time base) dan pencacah (counter).

Oscillator time base, disebut juga reference oscillator, menghasilkan sinyal frekuensi yang digunakan stopwatch atau timer dalam mengu-kur interval waktu. Untuk dapat mengaktivasi oscillator dan counter diperlukan sumber daya (power source) listrik atau mekanik, sedangkan untuk menampilkan hasil pencacahan sinyal dari oscillator oleh counter diperlukan suatu peraga (display) sebagai indikator. Dengan demikan, secara garis besar, bagian-bagian yang terdapat di dalam alat ukur waktu terdiri atas sumber daya, oscillator yang menghasilkan time base, counter, dan peraga atau indikator, seperti ditunjukkan pada skema dalam Gambar 1.

Terdapat dua jenis stopwatch, yaitu stop-watch digital dan stopwatch analog. Stopwatch digital menggunakan rangkaian elektronik untuk mengukur interval waktu. Osilator kristal (quartz oscillator) sebagai time base oscilla-tor memiliki frekuensi nominal 32 768 Hz. Adapun stopwatch analog menggunakan sistem perangkat mekanik untuk pengukuran interval waktu. Pegas atau motor yang telah diselaraskan digunakan sebagai osilator atau time base.

Tidak seperti stopwatch yang mengukur interval waktu dari titik awal 0 sekon pada saat stopwatch tersebut dijalankan, timer mengukur mundur interval waktu dari waktu yang telah diatur pada suatu nilai. Timer banyak digunakan di bidang industri untuk mengontrol durasi dari suatu proses produksi, seperti dalam proses pemanasan dan pendinginan suatu bahan dan proses kontrol otomasi dalam bidang manufaktur. Ketidaksesuaian hasil pengukuran interval waktu dalam suatu proses produksi akan berakibat negatif terhadap kualitas produk yang dihasilkan. Dengan demikian, kemampuan pengukuran dari stopwatch dan timer harus selalu dicek melalui kalibrasi secara berkala.

Gambar 1. Komponen Utama dalam Alat Ukur Waktu

Peningkatan Kemampuan Kalibrasi ... | 11

2. Kalibrasi Stopwatch-Timer dengan Metode Perbandingan Langsung

Metode perbandingan langsung merupakan metode kalibrasi stopwatch-timer yang paling umum digunakan dibandingkan metode kali-brasi lainnya. Pada metode ini, stopwatch-timer (UUC) dikalibrasi dengan cara membandingkan langsung hasil pengukurannya dengan pengu-kuran alat standar. Dalam hal ini, alat standar merupakan time interval reference (referensi untuk interval waktu) yang telah tertelusur ke sistem internasional untuk satuan waktu (SI unit) melalui proses kalibrasi ke standar ukur waktu. Standar ukur waktu dapat berupa standar utama waktu dan frekuensi (jam atom Cesium), standar sekunder Rubidium, atau standar kerja quartz oscilator yang telah tertelusur ke SI unit untuk besaran waktu.

Dalam praktik metode perbandingan langsung ini, stopwatch-timer dikalibrasi meng-gunakan sistem sinyal waktu audio (audio time signal) dari standar waktu melalui gelombang

radio pendek (short wave radio) atau melalui sinyal telepon, seperti yang dilakukan di NIST dan USNO di Amerika Serikat serta di KRISS Korea Selatan. Selain itu, kalibrasi stopwatch dengan metode perbandingan langsung juga dapat dilakukan dengan menggunakan tampilan waktu (time display) yang telah diselaraskan ter-hadap standar utama waktu UTC (Coordinated Universal Time, waktu universal terkoordinasi). P2M-LIPI, sebagai pengelola Standar Nasi-onal Satuan Ukuran (SNSU), mengelola standar utama waktu UTC(KIM) yang telah tertelusur ke sistem internasional satuan (SI) melalui kegiatan antarbanding laboratorium (inter laboratory comparison) secara kontinu yang dikoordinasi oleh Lembaga Internasional untuk Takaran dan Ukuran (Buréau International des Poids et Mesures, BIPM).

Metode pengukuran perbandingan langsung akan mendapatkan hasil optimal jika interval pengukurannya dua jam atau lebih. Jika interval waktu pengukuran kurang dari dua jam, waktu reaksi yang dibutuhkan oleh operator kalibrasi dalam start-stop saat pengukuran akan memiliki dampak besar pada ketidakpastian waktu reaksi pelaksana kalibrasi yang menyebabkan keti-dakpastian gabungan menjadi besar (Graham, 2006a).

3. Kalibrasi Stopwatch-Timer dengan Metode Totalized

Metode totalize memiliki prinsip yang sama dengan metode perbandingan langsung, per-bedaannya ada pada sumber referensi tertelu-surnya. Metode perbandingan langsung meng-gunakan referensi interval waktu dari eksternal, sedangkan metode totalized menggunakan hasil sintesis sumber frekuensi menggunakan universal counter yang telah terkalibrasi sebagai sumber referensinya (Graham, 2006c)

Untuk merealisasikan sistem kalibrasi stopwatch-timer metode totalized diperlukan alat frequency counter dan signal generator. Dalam pengukuran metode totalized pada frequency counter, salah satu kanal masukan (input channel) dari frequency counter digu-nakan untuk menghitung (counting) jumlah dari spesifik grup pulsa yang dihasilkan oleh signal generator. Prinsip kerja frequency counter

Sumber: www.penterst.com & www.propertyroom.com

Gambar 2. (a) Stopwatch Digital dengan Resolusi 10-2 s dan (b) Stopwatch Analog

(b)

(a)


dalam pengukuran mode totalized sama dengan pengukuran frekuensi (Packard, 2008), seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Main gate terbuka sampai semua pulsa dari sinyal frekuensi dari signal generator yang masuk melalui input conditioning terhitung.

4. Kalibrasi Stopwatch-Timer dengan Metode Pengukuran Time Base

Setiap alat ukur waktu memiliki osilator yang menghasilkan time base. Oleh karena itu, stopwatch atau timer dapat dikalibrasi dengan mengukur time base dari osilatornya. Metode ini merupakan metode kalibrasi stopwatch dan timer dengan ketidakpastian yang lebih baik dibandingkan ketidakpastian pengukuran untuk metode perbandingan langsung dan metode

totalized. Hal ini disebabkan karena pengukuran langsung diambil pada time base-nya, dengan mengukur nilai frekuensi offsetnya (Graham, 2006b). Pengukuran frekuensi time base dari osilator stopwatch atau timer dapat dilakukan dengan menggunakan frequency counter. Seba-gian besar stopwatch dan timer menggunakan kristal (quartz) sebagai osilatornya dengan nilai frekuensi time base sebesar 32 768 Hz.

C. METODE PENELITIANKalibrasi metode perbandingan langsung dilaku-kan dengan membandingkan penunjukan waktu dari stopwatch-timer UUC dengan penunjukan waktu di layar (display) standar utama waktu jam atom Cesium HP5701A (Cs-1), seperti di tun jukkan pada Gambar 5. Nilai penunjukan waktu pada layar jam atom Cesium (Cs-1) merupakan nilai nominal waktu dengan resolusi 1 sekon. Akan tetapi, Cs-1 merupakan standar utama waktu yang memiliki kestabilan sampai orde nano sekon per hari dan akurasi hingga 10-12 (Blair, 1974).

Dalam praktiknya, kalibrasi dari UUC terhadap Cs-1 dilakukan sebanyak lima kali. Analisis ketidakpastian pengukuran dilakukan mengacu pada International Organization for Standardization: Guide to Expression of Uncertainty in Measurement (JCGM, 2008). Pada tahap pertama penelitian ini dilakukan ka-librasi stopwatch dengan metode perbandingan langsung dengan sample UUC stopwatch digital, Casio 401Q21R, yang beresolusi 10-3.

Sumber: Packard (2008)

Gambar 3. Blok Diagram untuk Pengukuran Metode Totalized pada Frequency Counter

Gambar 4. Perhitungan pulsa sinyal frekuensi dalam 1 sekon menggunakan metode totalized pada frequency counte.


Selanjutnya, dilakukan kalibrasi untuk UUC yang sama dengan metode totalized. Pengaturan (setup) sistem kalibrasi stopwatch-timer dengan metode totalized di P2M-LIPI digambarkan dalam skema pada Gambar 7.

Sumber: Dokumentasi Penulis

Gambar 5. Kalibrasi stopwatch metode perban-dingan langsung di P2M-LIPI. Penunjukan interval waktu dari stopwatch UUC dibandingkan secara langsung dengan penunjukan tampilan waktu pada standar utama waktu jam atom Cs-1.


Gambar 6. Stopwatch digital Casio 401Q21R de-ngan resolusi 10-3 yang dikalibrasi dengan metode perbandingan langsung dan metode totalized.

Gambar 7. Pengaturan Kalibrasi Stopwatch-Timer dengan Metode Totalized di P2M-LIPI

Frequency counter Fluke (PM6681) diatur pada mode totalized A-B. Synthesized signal generator SRS (DS345) digunakan sebagai sumber frekuensi input bagi PM6681 dalam mengatur resolusi pembacaan. Resolusi pemba-caan dari PM6681 diatur satu peringkat (order of magnitude) lebih baik daripada resolusi UUC. Untuk itu, T (Period) sinyal frekuensi DS345 diatur lebih kecil setidaknya satu order of magnitude dari resolusi stopwatch-timer (UUC).

PM6681 dan DS345 mendapat frekuensi referensi input 10 MHz dari Cs-1 yang didistri-busikan melalui frequency distribution amplifier. Oleh karena itu, PM6681 dan DS345 secara langsung tertelusur ke standar utama waktu dan frekuensi Cs-1.

Proses kalibrasi stopwatch UUC Casio 401Q21R dilakukan dengan cara menempelkan tombol START/STOP pada UUC dengan tombol START/STOP pada PM6681, kemudian menekannya secara bersamaan, seperti ditunjuk-kan pada Gambar 8.

Hasil dari kalibrasi stopwatch Casio 401Q21R berdasarkan metode perbandingan langsung dan metode totalized dianalisis ketidakpastian pengukurannya mengacu pada konsep analisis ketidakpastian pengukuran yang tertuang dalam International Organiza-tion for Standardization: Guide to Expression of Uncertainty in Measurement (JCGM, 2008). Selanjutnya, hasil analisis tersebut menjadi acuan dalam menentukan peningkatan kemampuan kalibrasi stopwatch-timer di P2M-LIPI berdasarkan metode totalized yang telah diaplikasikan sejak 2014.


D. HASIL DAN PEMBAHASANSeperti yang telah dituangkan dalam metode penelitian, pengukuran dan kalibrasi UUC menggunakan metode perbandingan langsung merupakan langkah awal dalam kegiatan pene-litian ini. Pengukuran dilakukan dengan lima kali pengambilan data untuk setiap nilai ukur, yaitu 10, 20, 30, 40, 50, dan 60 s. Berikut ini hasil pengukuran pada kalibrasi stopwatch UUC Casio 401Q21R dengan metode perbandingan langsung.

Berdasarkan hasil pengukuran tersebut, didapatkan nilai rata-rata hasil pengukuran UUC pada setiap nilai ukur untuk dilakukan analisis ketidakpastian terhadap hasil pengukuran yang telah didapatkan. Ketidakpastian tipe A didapat-kan dari hasil pengukuran menggunakan metode perbandingan langsung dengan persamaan (1)

2

;

1 ( )1

rep

i

sun

s simpanganbaku

s t tn

=

=

= −− ∑ [1]

sehingga didapatkan nilai ketidakpastian tipe A seperti ditunjukkan pada Tabel 1.

Ketidakpastian tipe B bersumber dari ketidakpastian pembacaan pengukuran UUC, ketidakpastian standar frekuensi (referensi), dalam hal ini standar nasional waktu dan frekuensi (National Frequency Standard, NaFS) jam atom Cs HP-5071A, dan ketidakpastian dari waktu reaksi operator pengalibrasi (human reac-tion time) (Gust, Graham, & Lombardi, 2004).

Stopwatch UUC Casio 401Q21R memiliki resolusi 0,001. Ketidakpastian kemampuan pembacaan diestimasi memiliki semi range a = ± 0,5×resolusi dengan distribusi persegi (rectangular), diperoleh nilai ketidakpastian baku kemampuan pembacaan stopwatch UUC

0,53res

resolusiu ×= [2]


Gambar 8. Pengambilan Data Kalibrasi Stopwatch Menggunakan Metode Totalized

Mulai Selesai

Tabel 1. Hasil Pengukuran pada Kalibrasi UUC 401Q21R dengan Metode Perbandingan Langsung

Nominal Standar (s)

Penunjukan Alat - UUC (s)

1 2 3 4 5

10 10,090 9,954 9,995 9,937 9,95120 20,001 20,060 20,009 20,102 20,00230 29,931 30,091 30,008 30,045 30,07040 40,047 39,969 40,031 40,074 39,99150 49,968 50,084 50,010 49,968 49,98860 59,987 60,020 59,984 60,029 60,047


sehingga didapat nilai ketidakpastian resolusi ures sebesar 0,0002887 ≅ 0,0003 s.

Ketidakpastian standar didapatkan dari ketidakpastian standar nasional waktu dan frekuensi jam atom Cs HP-5071A (National Frequency Standard, NaFS). Hal tersebut dikarenakan penunjukan stopwatch-timer UUC dibandingkan secara langsung dengan penunjukan waktu pada tampilan waktu NaFS. Ketidakpastian NaFS diperhitungkan dari ketidakpastian waktu universal terkoordinasi (coordinated universal time, UTC) yang meru-pakan sumber ketertelusuran dari UTC(KIM), ketidakpastian dari link UTC-UTC(KIM), ketidakpastian UTC(KIM), dan kestabilan dari NaFS yang didapat dari Circular T (TCTF, n.d.)dan dinyatakan dengan persamaan (3).

2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )NaFS UTC link UTC KIM Stabilityu u u u u= + + + [3]

Ketidakpastian UTC berdasarkan hasil per-hitungan dari nilai terburuk deviasi fraksional (fractional deviation, FD) sebesar 8,8×10-15 dan ketidakpastian standar (standard uncertainty, SU) sebesar 3,0×10-16 dalam kurun waktu April 2013–Mei 2014, yang dinyatakan dengan persamaan (4).

2 2( )UTCu FD SU= + [4]

sehingga didapatkan 15( ) 8,8 10UTCu −= × .

Ketidakpastian link UTC-UTC(KIM) dinyatakan dengan persamaan (5).

( )( ) ( ) 2

86400 5linkUTC UTC KIM link tipe Au −

= ⋅×

[5]

Nilai ketidakpastian tipe A yang paling besar dalam kurun waktu April 2013–Mei 2014 adalah 2 ns sehingga didapatkan nilai ketidakpastian link UTC–UTC(KIM), 156,6 10linku −= × .

Ketidakpastian UTC(KIM) dari perhitungan perbedaan frekuensi (dF) antara UTC dan UTC(KIM) setiap hari yang didapatkan dari Circular T melalui persamaan (6).

( ) ( )2 2

( )UTC KIMu dF stdev dF= + [6]

Dalam kurun waktu April 2013 hingga Mei 2014, diperoleh nilai dF = 2,3×10-14 dan stdev dF = 3,6×10-14. Dengan demikian, didapatkan nilai 14

( ) 4,3 10UTC KIMu −= × . Adapun kestabilan dari NaFS sendiri

berdasarkan hasil yang diperoleh dari Circular T yang diterbitkan oleh BIPM (dalam kurun waktu April 2013–Mei 2014) adalah 7,6×10-14 selama satu hari. Dengan demikian, ketidakpastian NaFS yang dinyatakan dengan berdasarkan persamaan (3) memiliki nilai 8,8×10-14 untuk waktu satu hari atau 8,2×10-12 untuk waktu 10 s.

Ketidakpastian dari waktu reaksi operator pengalibrasi terdiri atas human reaction time bias, HRTB, dan deviasi dari waktu reaksi operator pengalibrasi (human reaction time standard deviation, HRTSD). Dalam sistem kalibrasi stopwatch-timer dengan metode per-bandingan langsung ini, kedua ketidakpastian tersebut mengacu pada HRTB dan HRTSD yang didapatkan oleh Sandia National Laboratories. HRTB bernilai 120 ms dengan distribusi persegi, sedangkan HRTSD bernilai 230 ms dengan distribusi normal sehingga didapatkan nilai ketidakpastian HRTB = 0,069 s dan HRTSD = 0,23 s (Gust, Graham & Lombardi, 2004).

Berdasarkan hasil perhitungan ketidakpasti-an tipe A dan tipe B, didapatkan hasil tabulasi nilai ketidakpastian untuk sistem kalibrasi stop-watch dengan metode perbandingan langsung, seperti ditunjukkan pada Tabel 3 dan nilai ketidak pastian gabungan, uComb dinyatakan dengan persamaan (7).

2 2 2 2 2Comb rep resolusiUUT NaFS HRTB HRTSDu u u u u u= + + + +

2 2 2 2 2

Comb rep resolusiUUT NaFS HRTB HRTSDu u u u u u= + + + + [7]

Tabel 2. Ketidakpastian Tipe A dengan Metode Perbandingan Langsung

Nominal Standar (s)

Penunjukan Alat-UUC (s) Urep (s)

10 9,985 0,02820 20,035 0,02030 30,029 0,02840 40,022 0,01950 50,004 0,02260 60,013 0,012


Ketidakpastian terentang dinyatakan pada tingkat kepercayaan 95% dengan faktor cakupan k = 2 sehingga didapatkan nilai ketidakpastian pengukuran sebagaimana ditampilkan pada Tabel 4 berikut ini.

Berdasarkan hasil analisis ketidakpas-tian seperti ditunjukkan pada Tabel 3, dapat

diketahui bahwa nilai ketidakpastian dari HRTSD merupakan sumber ketidakpastian yang berkontribusi paling besar terhadap nilai ketidakpastian pengukuran pada sistem kalibrasi stopwatch-timer dengan metode perbandingan langsung.

Tabel 3. Tabulasi Ketidakpastian Pengukuran dengan Metode Perbandingan Langsung

Nominal Standar (s)

Penunjukan UUC (s) urep (s) uresolusi UUC (s) uNaFS (s) uHRTB (s) uHRTSD (s) uComb (s)

10 9,985 0,062 0,0003 8,2×10-11 0,069 0,23 0,248

20 20,035 0,045 0,0003 1,6×10-10 0,069 0,23 0,244

30 30,029 0,063 0,0003 2,4×10-10 0,069 0,23 0,248

40 40,022 0,042 0,0003 3,3×10-10 0,069 0,23 0,244

50 50,004 0,048 0,0003 4,1×10-10 0,069 0,23 0,245

60 60,013 0,027 0,0003 4,9×10-10 0,069 0,23 0,242

Tabel 4. Ketidakpastian Terentang pada Kalibrasi Stopwatch 401Q21R dengan Metode Perbandingan Langsung

Nominal Standar (s) PenunjukanAlat-UUC (s) Ketidakpastian(s)

10 9,985 0,482

20 20,035 0,482

30 30,029 0,484

40 40,022 0,482

50 50,004 0,482

60 60,013 0,481

Tabel 5 Hasil Pengukuran pada Kalibrasi UUC 401Q21R dengan Metode Totalized

Penunjukan Standar1 2 3 4 5s s s s s

10,6825 10,4205 10,3549 10,3549 10,355020,3164 20,3166 20,3163 20,0544 20,316730,3438 30,5402 30,2128 30,3435 30,343540,1089 40,3053 40,2399 40,3052 40,305150,3328 50,4631 50,3319 50,3323 50,266360,0972 60,3596 59,4422 60.3592 60,5568

Penunjukan UUC1 2 3 4 5

jam mnt s jam mnt s jam mnt s jam mnt s jam mnt s0 0 10,679 0 0 10,412 0 0 10,362 0 0 10,364 0 0 10,3740 0 20,344 0 0 20,303 0 0 20,319 0 0 20,094 0 0 20,3190 0 30,336 0 0 30,532 0 0 30,237 0 0 30,360 0 0 30,3430 0 40,123 0 0 40,327 0 0 40,254 0 0 40,316 0 0 40,3130 0 50,326 0 0 50,480 0 0 50,324 0 0 50,317 0 0 50,2910 1 00,058 0 1 00,393 0 0 59,447 0 1 00,399 0 1 00,535


Kalibrasi stopwatch 401Q21R pada titik ukur yang sama dilakukan dengan metode totalized dengan hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 5.

Selanjutnya, dilakukan perhitungan nilai koreksi dari nilai penunjukan UUC meng-gunakan persamaan di bawah ini.

Koreksi = Penunjukan Standar – Penunjukan UUC

idapatkan nilai penunjukan UUC untuk setiap nilai nominal standar. Nilai ketidakpastian tipe A dari nilai penunjukan UUC untuk setiap nominal standar dihitung menggunakan persamaan (1) sehingga didapatkan hasil seperti ditunjukkan pada Tabel 6.

Ketidakpastian tipe B dalam metode to alized bersumber dari resolusi UUC, ketidak pastian referensi frekuensi (dalam hal ini ketidakpastian NaFS yang digunakan sebagai referensi fre-kuensi untuk signal generator dan frequency counter), resolusi frequency counter (u totalized count resolution), ketidakpastian dari waktu reaksi pelaksana kalibrasi (HRTB dan HRTSD), ketidakpastian frequency distribution amplifier serta ketidakpastian kabel koaksial untuk mendistribusikan sinyal frekuensi dari NaFS ke signal generator dan frequency counter.

Ketidakpastian resolusi UUC 401Q21R memiliki nilai yang sama seperti dinyatakan dalam persamaan (2), yaitu 0,0003 s. Begitu pula dengan ketidakpastian NaFS yang memiliki nilai sesuai dengan persamaan (3), yaitu 8,2×10-12 untuk t = 10 s. Ketidakpastian dari resolusi frequency counter (u totalized count resolution) didapatkan dari resolusi frequency counter yang diatur pada resolusi 0,0001 s dengan mendapatkan input frekuensi 10-4 Hz dari generator sinyal. Ketidakpastian memiliki

semi range a = ± 0,5×resolusi dengan distri-busi persegi (rectangular), maka diperoleh nilai ketidakpastian baku resolusi frequency counter.

0,5 0,000033res

resolusiu s×= ≅

Sumber ketidakpastian waktu reaksi pelak-sana kalibrasi (human reaction time) merupakan sumber ketidakpastian yang disebabkan oleh adanya perbedaan antara waktu memulai (start-ing) pengukuran antara stopwatch dan frequency counter serta waktu berhenti (stopping) antara stopwatch dan frequency counter. Untuk me-ngetahui ketidakpastian waktu reaksi pelaksana kalibrasi, telah dilakukan kalibrasi stopwatch standar menggunakan metode totalized oleh lima orang pelaksana kalibrasi di Subbidang Metrologi Waktu dan Frekuensi P2M-LIPI. Pada pengukuran ini, digunakan stopwatch standar yang memiliki nilai offset frekuensi yang cukup kecil terhadap nilai nominal se-hingga tidak memengaruhi hasil pengukuran. Dengan demikian, perbedaan pembacaan antara stopwatch yang dikalibrasi dan penunjukan standar (frequency counter) hanya disebabkan oleh waktu reaksi pelaksana kalibrasi. Setiap pelaksana kalibrasi melakukan pengukuran sebanyak sepuluh kali untuk nominal sepuluh sekon. Perbedaan pembacaan antara stopwatch dan standar (frequency counter) dari sepuluh kali pengukuran oleh lima orang pelaksana kalibrasi ditunjukkan pada grafik dalam Gambar 9.

Selanjutnya, dihitung nilai rata-rata dan standar deviasi waktu reaksi dari setiap operator berdasarkan data hasil pengukuran pada Gambar 9 dan hasilnya ditunjukkan pada grafik dalam Gambar 10.

Tabel 6. Nilai Penunjukan UUC dan Ketidakpastian Tipe A dengan Metode Totalized

No. Nominal Standar (s)Penunjukan UUC (s) Rata-rata

(s)uRep

(s)1 2 3 4 5

1. 10,0000 9,997 9,992 10.007 10,009 10,019 10,005 0,0052. 20,0000 20,028 19,986 20,003 20,040 20,002 20,012 0,0103. 30,0000 29,992 29,992 30,024 30,017 30,000 30,005 0,0074. 40,0000 40,014 40,022 40,014 40,011 40,008 40,014 0,0025. 50,0000 49,993 50,017 49,992 49,985 50,025 50,002 0,0086. 60,0000 59,961 60,033 60,005 60,040 59,978 60,003 0,015


Berdasarkan nilai rata-rata waktu reaksi operator tersebut, didapatkan nilai rata-rata waktu reaksi operator yang terburuk pada nilai 0,007 s dengan standar deviasi 0,028 s. Dengan demikian, nilai dari waktu reaksi operator (hu-man reaction time bias, HRTB) bernilai 0,007 dengan distribusi persegi (rectangular) sehingga uHRTB adalah 0,004 s. Adapun standar deviasi dari nilai HRTB dinyatakan sebagai human reaction time standard deviation (HRTSD) yang bernilai 0,028 s dengan distribusi normal sehingga uHRTSD bernilai 0,028 s.

Ketidakpastian frequency distribution amplifier (FDA) diperhitungkan berdasarkan koefisien suhu dan variasi maksimum dari suhu ruang di mana FDA ditempatkan dengan persamaan (8).

( )( )2

FDA

Koef Suhu Variasi Suhu Ruangu

VariasiWaktu

=

[8]

Dalam sistem kalibrasi stopwatch-timer menggunakan metode totalized di P2M-LIPI digunakan dua FDA, yaitu KIM-1 s/n: He-96011-02 yang memiliki koefisien suhu 10 ps/derajat dan Symmetricon 5087B s/n:

US45210275 dengan koefisien suhu 5 ps/derajat. Kedua FDA tersebut ditempatkan pada ruang dengan variasi suhu maksimum 6°C. Jadi, didapatkan nilai ketidakpastian FDA, uFDA= 1,6×10-15.

Sama halnya dengan uFDA, ketidakpastian dari kabel koaksial (uCx) yang digunakan untuk mendistribusikan sinyal frekuensi referensi 10 MHz dari NaFS ke frequency counter dan generator sinyal diperhitungkan berdasarkan pengaruh koefisien suhu dari kabel koaksial tersebut dan variasi maksimum dari suhu ruang dengan persamaan (9).

( )( )( )Cx

Koef Suhu Variasi Suhu Ruang Panjang Kabelu

VariasiWaktu=

( )( )( )Cx

Koef Suhu Variasi Suhu Ruang Panjang Kabelu

VariasiWaktu= [9]

Kabel koaksial yang digunakan memiliki panjang 25 m dan koefisien suhu 0,3 ps/m/derajat. Dengan demikian, didapatkan nilai uCx = 1,0×10-15.

Dari hasil perhitungan ketidakpastian tipe A dan tipe B, didapatkan hasil tabulasi nilai ketidakpastian untuk sistem kalibrasi stopwatch-timer dengan metode totalized yang dinyatakan dengan persamaan (10).

2 2 2 2

2 2 2 2

rep resolusiUUT NaFS resolusiCountComb

HRTB HRTSD FDA Cx

u u u uu

u u u u

+ + +=

+ + + + [10]

Gambar 9. Hasil pengukuran waktu reaksi operator pengalibrasi (lima orang operator) menggunakan metode totalized.

Gambar 10. Nilai rata-rata waktu reaksi operator pengalibrasi menggunakan metode totalized.


Tabel 8. Ketidakpastian Terentang pada Kalibrasi Stopwatch 401Q21R dengan Metode Totalized

Nominal Standar (s)

Penunjukan Alat-UUC (s)

Ketidakpastian(s)

10,0000 10,005 0,057

20,0000 20,012 0,060

30,0000 30,005 0,058

40,0000 40,014 0,056

50,0000 50,002 0,058

60,0000 60,003 0,064

Berdasarkan rekapitulasi berbagai sumber ketidakpastian kalibrasi stopwatch-timer metode totalized ini, diketahui bahwa uHRTSD berpengaruh signifikan terhadap ketidakpastian gabungan. Ketidakpastian terentang dinyatakan pada tingkat kepercayaan 95% dengan faktor cakupan k = 2, maka ketidakpastian pengukuran pada kalibrasi stopwatch 401Q21R dengan metode totalized seperti ditunjukkan pada Tabel 8.

Dari hasil tabulasi ketidakpastian pengu-kuran kalibrasi stopwatch 401Q21R dengan metode perbandingan langsung (Tabel 4) dan metode totalized (Tabel 5), metode totalized menghasilkan ketidakpastian yang jauh lebih baik daripada metode perbandingan. Berikut ini perbandingan hasil pengukuran dan keti-dakpastian dari kedua metode tersebut untuk setiap titik ukur.

Tabel 7. Tabulasi Ketidakpastian Pengukuran dengan Metode Totalized

Nominal Standar (s)

Penun jukan UUC (s)

urep(s)

uresolusi UUC (s)

uNaFS(s)

uresolusi Count (s)

uHRTB(s)

uHRTSD(s)

uFDA(s)

uCx(s)

uComb(s)

10,0000 10,005 0,005 0,0003 8,2×10-11 0,00003 0,004 0,028 1,6×10-14 1,0×10-14 0,029

20,0000 20,012 0,010 0,0003 1,6×10-10 0,00003 0,004 0,028 3,2×10-14 2,0×10-14 0,030

30,0000 30,005 0,007 0,0003 2,4×10-10 0,00003 0,004 0,028 4,8×10-14 3,0×10-14 0,029

40,0000 40,014 0,002 0,0003 3,3×10-10 0,00003 0,004 0,028 6,4×10-14 4,0×10-14 0,028

50,0000 50,002 0,008 0,0003 4,1×10-10 0,00003 0,004 0,028 8,0×10-14 5,0×10-14 0,029

60,0000 60,003 0,015 0,0003 4,9×10-10 0,00003 0,004 0,028 9,6×10-14 6,0×10-14 0,032

Kalibrasi stopwatch dengan metoda total-ized menghasilkan nilai ketidakpastian yang lebih baik, sekitar satu peringkat (order of magnitude) dibanding dengan metoda perban-dingan langsung.

E. KESIMPULANPenerapan metode totalized pada sistem kalibrasi stopwatch-timer telah diterapkan di P2M-LIPI sejak 2014. Kemampuan kalibrasi stopwatch-timer telah dapat ditingkatkan melalui metode totalized tersebut. Nilai ketidakpastian pengukuran menjadi lebih baik satu peringkat (order of magnitude) daripada ketidakpastian pengukuran pada sistem kalibrasi dengan metode perbandingan langsung yang sebelum-nya diterapkan selama satu dekade. Dari semua sumber ketidakpastian pada sistem kalibrasi metode totalized, nilai ketidakpastian deviasi dari waktu reaksi operator pengalibrasi (human reaction time standar deviation, HRTSD) uHRTSD memiliki pengaruh signifikan terhadap ketidakpastian gabungan, namun lebih baik dari uHRTSD pada sistem kalibrasi dengan metode perbandingan langsung.


Gambar 11. Perbandingan Hasil Pengukuran dan Ketidakpastiannya antara Metode Perbandingan Langsung (Direct Comparison) dan Metode Totalized


DAFTAR PUSTAKABlair, B. E. (1974). Time and frequency: Theory and

fundamentals. Colorado: National Bureau of Standards.

Graham, R. M. (2006a). Stopwatch calibrations, Part I: The direct comparison method. NCSLI Measure, 1(1), 72–73. http://doi.org/http://dx.doi.org/10.1080/19315775.2006.11721312

Graham, R. M. (2006b). Stopwatch calibrations, Part III: The time base method. NCSLI Measure, 1(3), 74–75. http://doi.org/10.1080/19315775.2006.11721337

Graham, R. M. (2006c). Stopwatch calibrations Part II: The totalize method, 1(2), 72–73.

Gust, J. C., Graham, R. M., & Lombardi, M. A. (2004). Stopwatch and timer calibrations (NIST Special Publication, 960–12, N-N). Washington: National Institute of Standards and Techonology.

JCGM. (2008). Evaluation of measurement data: Guide to the expression of uncertainty in measurement. Diakses dari http://www.bipm.org/en/publications/guides/gum.html

NIST. (1999). Guide for the Use of the International System of Units (SI). Medicine & Science in Sports & Exercise, 31(1), 198–205.

Packard, H. (2008). Fundamentals of the Electronic Counters. Library Collections, Acquisitions, and Technical Services, 32(3–4), 160. Re-trieved from http://scholar.google.com/scholar?hl=en&btnG=Search&q=intitle:Fundamentals+of+the+Electronic+Counters#0

The Technical Committee on Time and Frequency (TCTF), A. P. M. P. (T.T.). Guideline of Uncer-tainty Calculation Document ID 211_1 Local Frequency Standard.

PENINGKATAN KEMAMPUAN KALIBRASI STOPWATCH-TIMER …

Documents

Transcript of PENINGKATAN KEMAMPUAN KALIBRASI STOPWATCH-TIMER …