INSTRUMENTASI METROLOGI I (Bagian 1)

Oleh : Ir.H. Bimbing Atedi

Bahan ajar semester IV

 

1.       Umum.

 

Instrumentasi (Instrumentation)

                Bidang ilmu dan teknologi yang mencakup perencanaan, pembuatan dan penggunaan  instrument atau alat ukur besaran fisika atau sistem instrument untuk keperluan diteksi, penelitian, pengukuran, pengaturan serta pengolahan data.

 

Metrologi (Metrology)

                Ilmu Pengetahuan dan Teknologi  yang  berkaitan dengan kegiatan pengukuran.

 

Metrologi mencakup tiga hal utama:

 

1.        Penetapan definisi satuan-satuan ukuran yang diterima secara internasional; misal: meter, kilogram dsb.

2.        Perwujuan satuan-satuan ukuran berdasarkan metode-metode ilmiah, misal perwujudan nilai meter menggunakan gelombang cahaya laser.

3.        Penetapan rantai ketertelusuran dengan menentukan dan merekam nilai dan akurasi suatu pengukuran dan menyebarluaskan pengetahuan tersebut, misalnya hubungan (perbandingan) antara nilai ukur sebuah mikrometer ulir terhadap balok ukur sebagai standar panjang dilaboratorium.

 

1.1.  Satuan-satuan dalam Metrologis

 

Satuan ”Sistem Internasional”  (Le Systeme Internationale d’Unites) – SI

 

Satuan Dasar adalah satuan pengukuran sebuah besaran dasar pada sebuah sistem besaran phisik.  Definisi dan realisasi dari setiap satuan dasar dapat berubah dengan adanya penelitian kemetrologian yang dapat menemukan kemungkinan dicapainya definisi dan realisasi yang lebih akurat dari besaran phisik tersebut.

 

Contoh: Definisi ”meter”

Th. 1889 didasarkan pada prototipe internasional  X meter dari bahan Platinum- Iredium yang sekarang disimpan di Perancis.

Th. 1960, meter berubah menjadi standar cahaya yang difinisinya sebagai panjang gelombang dari spektral Krypton 86

Th. 1983, pada konggres CGPM 17, didefinisikan ulang bahwa satu meter adalah jarak tempuh dari gelombang cahaya Helium-Neon pada tabung vakum dengan kecepatan 

1/ 299  792 458 second, yang direliarisasikan dalam panjang gelombang laser yang distabilkan dengan iodine.

 

 

1.2.Satuan Dasar SI

Besaran	Satuan Turunan	Simbol
Panjang	Meter	M
Massa	Kilogram	Kg
Waktu	Sekon	S
Arus listrik	Amper	A
Suhu termodinamika	Kelvin	K
Jumlah zat	mole	Mol
Intensitas cahaya	candela	Cd

 

1.2.1.Definisi Satuan Dasar SI

 

Meter : panjang lintasan yang ditempuh oleh cahaya dalam tabung vakum dalam waktu

1/ 299  792 458 second.

 

Kilogram : massa prototipe kilogram internasional

 

Sekon: durasi dari 9 192 631 770 periode radiasi yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat sangat halus dari ground state sebuah atom cecium 133.

 

Ampere: arus tetap yang jika tidak dijaga dalam dua kawat konduktor yang lurus dan paralel dengan panjang tak terhingga dan luas penampang dapat diabaikan serta berjarak 1 meter satu sama lain , dalam ruang hampa akan menghasilkan gaya sebesar 2 x 10-7 newton per meter panjang kawat.

 

Kelvin: 1/ 273,16 dari suhu termodinamis titik tripel air.

 

Mole : jumlah zat dari sebuah sistem yang mengandung intensitas sebanyak intensitas yang ada dalam 0,012 kg atom karbon -12.

 

Candela: intensitas luminasi pada arah tertentu dari sejumlah sumber yang memancarkan radiasi monocromatik dengan frequensi 540 x 10-12 herz dan mempunya intensitas radian pada arah tersebut sebesar 1/638 watt per steradian.

 

1.2.2.Satuan Turunan SI

 

Satuan Turunan adalah sebuah satuan pengukuran dari sebuah besaran turunan dalam sebuah sistem besaran.

 

Satuan  turunan SI yang dinyatakan dengan satuan SI

 

Besaran Turunan	Satuan Turunan	Simbol
Luas	Meter persegi	m2
Isi	Meter kubik	m3
Kecepatan	Meter per sekon	m s-1
Percepatan	Meter per sekon kuadrat	m s-2
Kecepatan sudut	Radian per sekon	rad s-1
Percepatan sudut	Radian per sekon kuadrat	rad s-2
Densitas	Kilogram per meter kubik	kg m-3
Intensitas medan listrik	Amper per meter	A m-1
Densitas arus listrik	Amper per meter persegi	A m-2
Momen gaya	Newton meter	N m
Kekuatan medan listrik	Volt per meter	V m-1
Permeabilitas	Henry per meter	H m-1
Permisivitas	Farad per meter	F m-1
Kapasitas panas spesifik	Joule per kilogram kelvin	J kg-1K-1
Konsentrasi jumlah zat	Mol per meter kubik	mol m-3
luminasi	Candela per meter persegi	cd m-3

 

Contoh: Dari hubungan fisik antara besaran panjang yang diukur dalam satuan m, dan besaran waktu yang diukur dalam satuan s, maka besaran kecepatan yang diukur dalam satuan m/s dapat diturunkan.

Satuan turunan dinyatakan dalam satuan dasar dengan simbol matematis perkalian dan pembagian.

 

1.2.3.Satuan Turunan SI yang nama dan simbolnya terdapat satuan turunan SI dengan nama simbol khusus.

 

Besaran Turunan	Satuan turunan SI nama khusus	Simbol khusus	Dalam satuan SI	Dalam Satuan Dasar SI
Frequensi	Herz	Hz		s-1
Gaya	Newton	N		m.kg.s-2
Tekanan	Pascal	Pa	N/m2	m-1 kg s-2
Energi, kerja, jumlah panas	Joule	J	N.m	m2 kg s-2
Daya, fluk radian	Watt	W	J/s	m2 kg s-3
Muatan listrik	Coulmb	C		s.A
Beda potensial listrik	Volt	V	W/A	m2 kg s-3A-1
Kapasitasi listrik	Farad	F	C/V	m2 kg-1 s-4A2
Tahanan listrik	Ohm	Ω	V/A	m2 kg s-3A-2
Daya hantar listrik	Siemens	S	A/V	m-2 kg-1 s3A2
Fluks magnet	Webere	Wb	V.s	m2 kg s-2A-1
Induktansi	Henry	T	Wb/m2	kg s-2 A-1
Fluk luminan	lumen	H	Wb/A	m2 kg s-2A-2
Iluminasi	lux	lm	Cd.sr	m2 s-2Cd = Cd
Aktifitas radio nuklida	becquerel	Bq		s-1
Dosis, kerma, energi	gray	Gy	J/kg	m2 s-2
Setara dosis	sievert	Sv	J/kg	m2 s-2
Sudut bidang	radian	Rad		m.m-1 = 1
Sudut ruang	Steradian	Sr		m.m-1 = 1

 

 

 

1.2.4.Satuan dasar yang digunakan dalam besaran yang berbeda-beda seperti pada Tabel berikut:

Besaran Turunan	Satuan Turunan	Simbol	Dalam Satuan Dasar SI
Viskositas  dinamik	pascal newton	Pa.s	m-1 kg.s-1
Momen gaya	newton meter	N.m	m-2 kg.s-2
Tegangan permukaan	newton per meter	N/m	kg.s-2
Kecpatan sudut	radian per sekon	Rad/s	m.m-1 s-1 = s-1
Percepatan sudut	radian per sekon kuadrat	Rad/s2	m.m-1 s-2 = s-2
Densitas fluk panas	watt per meter persegi	W/m2	Kg.s-3
Kapasitan panas, entropi	joule per kelvin	J/K	m-2 kg. s-2.K-1
Kapasitas panas spesifik, entopi spesifik	joule per kilogram kelvin	J(kh.K)	m-2. s-2.K-1
Energi spesifik	joule per kilogram	J/kg	m-2 . s-2
Konduktivitas termal	watt per meter kelvin	W(m.K)	m.kg.s-3.K-1
Densitas energi	joule per meter kubik	J/m3	m-1.kg.s-2
Kekuatan medan listrik	volt per meter	V/m	m.kg.s-3.A-1
Densitas muatan listrik	colomb per meter kubik	C/m3	m-3.s.A
Densitas fluks listrik	coulom per mtr persegi	C/m2	m-2.s.A
Permitivitas	farad per meter	F/m	m-3.kg-1 s4 A2
Permeabilitas	henry per meter	H/m	m.kg.s-2.A-2
Energi molar	joule per mole	J/mol	m2.kg.s-2.mol-1
Entropy molar, kapasitas panas	joule per mole kelvin	J/(mol/K)	m2.kg.s-2.K-1mol-1
Paparan sinar X dan Y	coulomb per kilogram	C/kg	kg-1.s.A
	gray per sekon	Gy/s	m2s-3
Intensitas radian	watt per steradian	W/sr	m4.m-2.kg.s-3= m-2 kg.s-3
radiansi	watt perian meter pesegi sterad	W/(m2-sr)	m2.m-2.kg.s-3 = kg s-3
Konsentrasi katalik	katal  per meter kubik	Kat/m3	m-3.s-1.mol

 

1.2.5.Satuan-satuan SI yang diterima untuk digunakan bersama dengan satuan SI, karena banyak digunakan (Satuan Selain SI yang diterima)

 

Besaran	Satuan	Simbol	Nilai dalam satuan SI
Waktu	Menit Jam hari	min h d	1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3600 s 1 d = 24 h
Sudut permukaan	derajat menit sekon nygrad	˚ ́ ́́́ ́ gon	1˚ = ( π/180) rad 1́  = (1/60)́ = (π/10800) rad 1́ ́ = (1/60)́ ́ = (π/648000)rad 1 gon = (π/2000) rad
Volume	liter	L, l	1 l = 1 dm3 = 10-3 m3
Massa	ton metrik	T	1 t = 103 kg

 

1.2.6. Satuan-satuan selain SI yang digunakan pada bidang-bidang tertentu

Besaran	Satuan	Simbol	Nilai dalam satuan SI
Panjang	Mil laut		1 mil laut = 1852 m
Kecepatan	Knot		1 mil laut/jam = 1852/ 3600 m/s
Massa	Karat		1 karat = 2 x 10-4 kg = 200 mg
Densitas linier	Tex	tek	1 tek = 10-6 kg/m = 1 mg/m
Kekuatan sistem optik	Dioptri		1 dioptri = 1 m-1
Tekanan pada fluida dalam tubuh manusia	Milimeter merkuri	mmHg	1 mmHg = 133 322 Pa
Luas	Are	a	1 a = 100 m2
Luas	Hektar	ha	1 ha = 104 m2
Tekanan	Bar	bar	1 bar = 100 k Pa = 10-5 Pa
jarak	Angtrom	A	1 A = 0,1 nm = 10-10 m
penampang	barn	b	1 b = 10 -28 m2

 

1.2.7.Prefiks atau Awalan Satuan SI

 

Faktor	Nama Perfiks	Simbol	Faktor	Nama Perfiks	Simbol
101	deka	da	10-1	desi	d
102	hekto	h	10-2	centi	c
103	kilo	k	10-3	milli	m
106	mega	M	10-6	micro	µ
109	giga	G	10-9	nano	n
1012	tera	T	10-12	pico	p
1015	peta	P	10-15	femto	f
1018	exa	E	10-18	atto	a
1021	zetta	Z	10-21	zepto	z
1024	yolta	Y	10-24	yocto	y

 

 

1.2. Pengertian Metrologi dan Penerapannya

 

Ukuran suatu benda kerja baru dapat diketahui setelah benda tersebut diukur.

Ilmu pengetahuan teknik tentang ukur mengukur secara luas dinamakan metrologi (metrology), sebagaimana ditulis dalam bahasa inggris “ Metology is science of measurement” .

 

Pembagian Utama dalam Metrologi

1.        Metrologi Ilmiah (Scientific Metrology) : pengukuran yang berhubungan dengan pengaturan dan pengembangan standar-standar pengukuran dan pemeliharaannya.

2.        Metrologi Industri (Industrial Metrology): pengukuran yang  bertujuan untuk pengendalian mutu suatu produk di industri dengan memastikan  bahwa sistem pengukuran dan alat-alat ukur berfungsi dengan akurasi yang memadai, baik dalam proses produksi maupun pengujiannya.

3.        Metrologi Legal (Legal Metrology): pengukuran yang berkaitan dengan transaksi perdagangan, kesehatan, keselamatan dan kepentingan umum.

 

Metrologi Ilmiah dan Metrologi Industri merupakan bagian dari Metrologi Teknis.

 

Berdasarkan sifat besaran fisiknya , metrologi dapat dibagi menjadi beberapa kelompok kerja, yaitu :

·       metrologi dimensi yang berkaitan dengan pengukuran panjang, sudut, profil permukaan, geometrik dsb.

·       metrologi massa menangani besaran massa, gaya, tekanan dst

·       metrologi mekanik yang melibatkan kecepatan, momen, getaran dst

·       metrologi fisik yang berhubungan dengan msalah volemetri, viskositas, densitas, aliran dst

·       metrologi listrik dengan besaran dasar arus listrik dan waktu dan turunannya sebagai komponen utamanya.

·       metrologi suhu melibatkan pengukuran suhu dibawah suhu 0 ⁰ C sd ribuan ⁰ C.

·       metrologi optik pengukuran yang berkaitan dengan photometri, radiometri

·       dan lain-lain

 

Berdasarkan bidang aplikasinya, metrologi dapat dibedakan menjadi :

·       metrologi industri dengan fokus pengukuran untuk pengendalian mutu produk.

·       metrologi medik untuk ketepatan analisis penyakit, dalam pelayanan kesehatan.

·       metrologi astronomi untuk kepentingan penerbangan antariksa dan ilmu falak.

·       metrologi akustik untuk perancangan akustik gedung, analisis kebisingan dst.

 

Jadi perlu diketahui bahwa kegiatan pengukuran tersebut tergantung pada tujuan pemakaian, suatu jenis alat ukur yang sama dapat dikelola berdasarkan metrologi legal atau metrologi teknis.

 

Didalam pembahasan selanjutnya akan banyak berkaitan dengan kegiatan pegukuran di industri yaitu metrologi teknis, yang penerapannya pada pengukuran besaran fisik sebagai metrologi industri.

 

1.2.1.    Pengukuran (measurement)

                   Kegiatan mengukur dapat diartikan sebagai proses perbandingan suatu obyek terhadap standar yang relevan dengan mengikuti peraturan-peraturan terkait dengan tujuan untuk dapat memberikan gambaran yang jelas tentang obyek ukurnya.

 

Dengan melakukan proses pengukuran dapat:

·       membuat gambaran melalui karakteristik suatu obyek atau prosesnya.

·       mengadakan komunikasi antar perancang, pelaksana pembuatan, penguji mutu dan berbagai pihak yang terkait lainnya.

·       memperkirakan hal-hal yang akan terjadi

·       melakukan pengendalian agar sesuatu yang akan terjadi dapat sesuai dengan harapan perancang.

 

Bidang-bidang dan sub-bidang dengan contoh standar pengukuran yang berkaitan dapat dijelaskan seperti pada Tabel 1

 

 

Tabel 1

Bidang	Sub-bidang	Standar pengukuran yang penting
Massa dan besaran yang terkait	Pengukuran Massa	Standar massa eimbangan standar, mass comparator
	Gaya dan tekanan	Load cell, dead weight tester, force, moment and torque converter; pressure balance oil ang gas. Universal Testing Machine.
	Volume, densitas dan viskositas	Aerometer gelas, glassware laboratory um, vibration densitometer, viscometer capiler gelas, viscometer rotasi, skala viskometri
Kelistrikan dan kemagnitan	Kelistrikan DC	Komparator arus kriogenis, efek Josephson dan efek Quantum Hall, acuan diode Zener, metode potensiometris, jembatan (bridge) komparator
	Kelistrikan AC	Pengubah (converter) AC/DC, kapasitor standar, kapasitor udara, induktansi standar, kompensator, watt meter.
	Kelistrikan frekuensi tinggi	Pengubah termal, calorimeter, bolo meter
	Arus kuat dan tegangan tinggi	Transformator pengukur arus dan tegangan, sumber tegangan tinggi acuan
Panjang	Panjang gelombang dan interferometri	Laser stabil, interfeometri, sistem laser pengukuran, komparator interfrometri
	Metrologi Dimensi	Balok ukur,skala mistar, step gauge, setting ring, plug gauge, heih master, dial indicator, micrometer, standar kerataan optis, CMM, scan micrometer
	Pengukuran sudut	Autocolimator, rotary table, balok sudut, polygon, precision level
	Bentuk	Kelurusan, kerataan, kesejajaran, kesikuan, kebundaran, cylinder square
	Kekasaran Permukaan	Step height and groove standard, standar kekasaran, roughness measu ring machine
Waktu dan Frekuensi	Pengukuran waktu	Standar frekuensi atomic sesium, alat ukur interval waktu
	Frekuensi	Standar frekuensi atomic Cecium, isola tor kuarsa, laser, pencacah elektronik dan sinthesiser, alat ukur geodetic.
Termometri	Pengukuran suhu secara kontak	Temometer gas, titik tetap, ITS 90, ter mometer tahanan platina, temokopel
	Pengukuran suhu secara non kontak	Black body suhu tinggi, radiometer krio genis, pyrometer,fotodiode Si
	Kelembaban	Miirror dew point meter atau hygrometer elektronik, dobel pressure, temperature humidity generator
Radiasi Pengion dan Radioaktive	Dosis terserap – produk industry tingkat tinggi	Kalorimeter, high dose rate cavity ter kalibrasi, dosimeter dikromat.
	Dosis terserap – produk medis	Kalorimeter, kamar ionisasi.
	Perlindungan terhadap radiasi	Kamar ionisasi, berkas/medan radiasi acuan, pencacah proposional dan lain nya, TEPC, spektroneter neutron Bonner
	Radioaktivitas	Kamar ionisasi tipe sumur (well), sum ber radioaktivitas bersertifikat, spektroskopi gama dan alpha , ditektor 4 Gamma.
	Serat optis	Bahan acuan – serat Au
Fotometi dan Radiometri	Radiometri optis	Radiometer kriogenis,ditektor, sumber acuan laser stabil, bahan acuan – serat Au
	Fotometri	Ditektor cahaya tampak, fotodioda Si, ditektor efisiensi kuantum
	Kolorimetri	Spektrofotometer
Aliran	Aliran gas (volume)	Bell profer, meter gas rotary, meter gas turbin, meter transfer dengan critical nozzle

 

1.2.3. Metode Pengukuran

 

Pada umumnya metode pengukuran adalah membandingkan besaran yang diukaur terhadap standarnya. Bagaimana proses  membandingkan dilakukan, diantarnaya harus diketahui:

–          konsep dasar tentang besaran yang dilakukan

–          dalil fisika tentang besaran tersebut

–          spesifikasi peralatan yang harus digunakan pengukuran

–          proses pengukuran yang dilakukan

–          urut-urut an langkah yang harus dilakukan

–          kualifikasi operator

–          kondisi lingkungan

 

 

1.2.4.Terminologi dan metodologi pengukuran yang standarkan meliputi sbb:

 

1. Metode pengukuran fundamental

Pengukuran berdasarkan besaran-besaran dasar (panjang, massa, waktu dsb) yang dipakai untuk mendifinisikan besaran yang diukur. Misal pengukuran gravitasi dengan cara bola jatuh, diukur massa benda yang jatuh, jarak yang ditempuh dan waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak tersebut. Disini nilai percepatan gravitasi langsung ditentukan dengan mengukur besaran dasar massa, panjang dan waktu.

 

1. Metode pengukuran langsung

Metode pengukuran  dimana nilai besaran langsung terbaca pada alat ukur tanpa memerlukan pengukuran besaran-besaran lain yang mempunyai hubungan fungsional dengan besaran yang diukur. Contoh:

– pengukuran panjang dengan memakai mistar.

– pengukuran massa dengan neraca sama lengan

 

1. Metode pengukuran tidak langsung

Pengukuran yang diukur ditentukan dengan jalan mengukur besaran lain yang mempunyai hubungan funsional dengan besaran yang diukur, Contoh:

– pengukuran tekanan dengan mengukur tingginya kolom cairan didalam suatu   tabung

–  pengukuran suhu dengan mengukur tahanan listrik kawat platina ( temometer tahanan platina).

 

d.        Metode perbandingan

Membandingkan besaran yang diukur dengan besaran sejenis  yang telah diketahui nilainya. Contoh:

-. mengukur tegangan dengan pontensio meter. Disini tegangan yang akan diukur dibandingkan dengan tegangan sel standar

-. mengukur tahanan listrik dengan jembatan Wheatstone.

 

e.        Metode subtitusi

Metode pengukuran dimana besaran yang diukur diganti oleh besaran yang sejenis yang nilainya telah diketahui dan dipilih sedemikian rupa sehingga menimbulkan efek yang sama terhadap penunjukkan alat ukur.

 

 

f.         Metode deferensial

Metode dimana besaran  yang diukur dibandingkan dengan besaran yang sejenis yang telah diketahui yang nilainya hanya berbeda sedikit dengan yang diukur adalah perbedaan itu. Contoh:

-. Pengukuran panjang dengan menggunakan komparator

-. Pengukuran distribusi suhu didalam ruangan yang suhunya hampir seragam  dengan memakai termokopel differinsial.

 

g.       Metode nol

Metode pengukuran dimana nilai besaran yang diukur ditentukan dengan menyetimbangkan, mengatur satu atau lebih besaran yang telah diketahui yang dengan besaran ini mempunyai hubungan tertentu dan dalam keadaan setimbang diketahui bentuknya. Contoh:

–          pengukuran impendansi dengan memakai rangkaian jembatan impendansi

–          pengukuran tegangan dengan memakai potensiometer.

 

 

1.2.5. Karakteristik alat ukur dan Proses Pengukuran

 

                Proses pengukuran identik dengan proses produksi disuatu industri. Produk proses pengukuran adalah berupa angka-angka. Karakteristik yang menonjol dari proses pengu kuran  adalah pengukuran yang dilakukan berkalikali terhadap suatu besaran yang konstan harganya menghasilkan yang tidak sama. Bagaimana sempurnanya persyaratan  metodenya dipenuhi selalu ada perbedaan pada hasil-hasil ukurnya. Angka mana yang dianggap benar ? Analisis statistik menyatakan bahwa nilai yang benar akan didapat bila pengukuran dilakukan tak terhingga kali pada kondisi yang sama  Dan kita tidak akan punya waktu dan biaya untuk melakukan seperti tersebut diatas. Karena itu harga yang benar tidak akan pernah diketahui, kemungkinan hanya dapat angka pendekatan saja. yang berdasarkan harga rata-rata dari sejumlah pengamatnya.

Akan tetapi harga rata-rata saja tidak cukup, angka tersebut harus disertai  dengan keterangan yang menyatakan:

1. Rentang yang menyatakan berapa dekatnya nilai pendakatan tersebut terhadap harga yang sebenarnya.
2. Jaminan atau tingkat keyakinan (Confidence Level) bahwa angka rata-rata akan diperoleh lagi jika kita melakukan beberapa kali terhadap besaran tersebut.

Contoh: Bila dari hasil penimbangan massa dituliskan sbb:

 

                ( 100 ± 2 ) kg      pada “Confidence Level” = 95%