Karakterisasi Susceptibility Beban Pressure Balance_paper

KARAKTERISASI SUSEPTIBILITAS MAGNET PADA MASSA PEMBEBAN STANDARD TEKANAN PRESSURE BALANCE Rudi A. S. dan N. T. Eka Damayati Pusat Penelitian Kalibrasi, Instrumentasi dan Metrologi – LIPI Kawasan Puspiptek Gedung 420, Serpong, Tangerang 15314 Email : [email protected]

INTISARI Pressure balance merupakan instrument yang paling umum digunakan sebagai standar tekanan. Masa pembeban merupakan salah satu unsur utama pada pressure balance dalam merealisasikan satuan tekanan. Menurut refrensi international OIML R110 ”Pressure Balances”, beberapa spesifikasi khusus harus dimiliki oleh material massa pembeban pressure balance. Oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan karakterisasi suseptibilitas magnet pada bermacam beban pressure balance. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan suseptometer buatan saturius dan prosedur yang mengacu pada OIML R 111”Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3”. Pada paper ini akan dijabarkan hasil percobaan dan perbandingannya terhadap literatur. Salah satu contoh, pada pengukuran susceptibilitas magnet beban hydraulic pressure balance standard RUSKA didapatkan nilai 0.003. Nilai tersebut menurut OIML R 111 memenuhi spesifikasi beban untuk kelas E1 yang memiliki susceptibilitas magnet maksimum 0.02. Dengan demikian, dilihat dari massa pembebannya, dapat dikatakan bahwa RUSKA masih berada dalam kelas akurasinya, yaitu 0.005% dengan memiliki beban berkelas E1. Kedepannya pengukuran susceptibilitas magnet pada beban pressure balance standard, bisa dimasukkan sebagai salah satu prosedure cek standard dalam menentukan performa dari stabilitas standard seperti yang diisyaratkan dalam ISO 17025. Kata Kunci: Pressure balance, massa pembeban, suseptibilitas magnet.

ABSTRACT Pressure balance is the most commonly used instrument as pressure standard. Loading masses is ones of pressure balance main part to realization of pressure unit. According to international reference OIML R110 “Pressure Balances”, material of pressure balance loading masses should have some special specification. Therefore magnetic susceptibility characterization from many types of pressure balance loading masses had been done. Measurement conducted by using sartorius susceptometer and procedures which refer to OIML R111“Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3”. This paper will describes experiment result and its comparison to the literature. For example, from the measurement result of hydraulic pressure balance standard RUSKA, obtained 0.003 of magnetic susceptibility on its loading masses. According to OIML R 111, the values comply with the specification of E1 class of weight which has maximum magnetic susceptibility 0.02. Hence, could be state that RUSKA still on its accuracy class 0.005% which has E1 class of loading masses. Next, measurement of magnetic susceptibility can be set into procedure to check standard to observe the stability of standard performance as mention in ISO 17025. Keywords: Pressure balance, loading masses, magnetic susceptibility.

SEMINAR METALURGI 2008

1. PENDAHULUAN Laboratorium tekanan KIM-LIPI bertanggung jawab atas pemeliharaan standard nasional, menyediakan kebutuhan ketertelusuran peralatan ukur tekanan dan juga mereview dan mengembangkan metode yang digunakan dalam kalibrasi alat ukur tekanan. Saat ini KIM-LIPI mampu menyediakan kebutuhan ketertelusuran alat ukur tekanan dengan rentang tekanan berkisar antara 10 kPa sampai dengan 7 MPa untuk tekanan gauge dan absolute pada medium gas dan 5 MPa sampai dengan 500 MPa untuk tekanan gauge pada medium oli. Standar tertinggi yang digunakan di Laboratorium tekanan KIM-LIPI adalah pressure balance atau sering disebut juga Dead Weight Tester. Pressure balance terdiri dari piston–silinder (P/S) dan massa pembeban sebagai bagian utamanya. Sejumlah instrumen tekanan yang dapat dikalibrasi dengan pressure balance standar ini antara lain: test gauge, pressure gauge, pressure tranduser, pressure transmiter dan barometer. Beberapa referensi internasional seperti, OIML R110 dan EAL G26 memberikan acuan tentang kebutuhan teknis dan metrologis yang harus dimiliki pressure balance dan juga metode penggunakannya. Dalam paparan ini akan dijelaskan tentang spesifikasi khusus harus dimiliki oleh material massa pembeban pressure balance terutama suseptibilitas magnetnya. Sifat ini menggambarkan seberapa terpengaruhnya massa pembeban terhadap medan magnet lingkungan yang akan menimbulkan interaksi magnetik yang akan mempengaruhi hasil kalibrasi. Nilai ini dapat digunakan untuk mengklasifikasikan kelas massa pembeban dan juga memprediksi kelas akurasi pressure balance. Pengukuran dilakukan pada berberapa beban pressure balance yang berbeda dengan menggunakan suseptometer buatan saturius yang mengacu pada referensi internasional OIML R111.

SEMINAR METALURGI 2008

2. DASAR TEORI Pressure balance merupakan suatu instrumen yang menggunakan piston silinder sebagai bagian utamanya untuk merepresentasikan suatu luasan tertentu dan massa pembeban untuk menghasilkan gaya sehingga dapat merealisasikan definisi dari tekanan [6]. Tekanan yang dihasilkan pressure balance ini secara sederhana didefinisikan sebagai: P=

F A

...(1)

dengan F merupakan gaya yang dihasilkan oleh massa yang bekerja pada medan gravitasi lokal dan A adalah luasan efektif yang direpresentasikan oleh luasan pistonsilinder P/S. Beban Piston

Silinder

Gambar 1. Piston-silinder dan beban pressure balance

Massa pembeban merupakan salah satu bagian terpenting dari pressure balance. Dengan menaikan dan menurunkan kombinasi massa pembeban, akan didapatkan tekanan yang diinginkan. Beberapa syarat yang harus dimiliki beban pressure balance antara lain: seharusnya terbuat dari material yang tahan terhadap abrasi dan korosi atau dilengkapi dengan lapisan pelindung pemukaan untuk meyakinkan stabilitas massa selama pemakaian. Massa pembeban dengan kelas akurasi 0.005, 0.01 dan 0.02 seharusnya terbuat dari material non-magnetik [3]. Sifat magnet yang biasa diukur adalah magnetik permanen dan susceptibilitas magnet. Magnet permanen / magnetisasi memiliki sifat tidah berubah, yang artinya sifat magnet yang telah melekat pada massa pembeban pertama dibuat. Susceptibilitas

SEMINAR METALURGI 2008

magnetik bersifat tidak kekal, dan hanya dapat terukur setelah dipengaruhi medan magnet, dan setelah medan magnet hilang maka susceptibilitasnya kembali hilang [5]. Perbandingan antara magnetisasi M (akibat) terhadap medan magnet H (penyebab), disebut dengan susceptibilitas magnet χ yang menggambarkan seberapa peka sebuah material menjadi termagnetisasi, sesuai dengan persamaan 2 berikut [7]: χ=M/H

...(2)

OIML R111 mengklasifikasikan massa kedalam beberapa kelas berdasarkan nilai susceptibilitas magnet dan magnetisasinya, seperti pada tabel 1 dan 2 berikut [4]:

Table 1 Maximum polarization, µ00M, (µT) Weight class E1 E2 F1 F2 M1 M1-2 25 Maximum polarization, 2.5 8 25 80 500 0 µ0M, (µT)

M2 M2-3 80 1600 0

M3 2500

OIML R 111, Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3 - Part 1: Metrological and technical requirements, 2004, pages16

Weight class m≤1g 2 g ≤ m ≤ 10 g 20 g ≤ m

Table 2 Maximum susceptibility, χ E1 E2 F1 0.25 0.9 10 0.06 0.18 0.7 0.02 0.07 0.2

F2 4 0.8

OIML R 111, Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3 - Part 1: Metrological and technical requirements, 2004, pages17

Sedangkan masing masing kelas massa mempunyai batas maksimum kesalahan (maximum permissible error MPE), seperti tabel 3 berikut:

Table 3 Maximum permissible error for weights (± δm in mg) Nominal Class Class Class Class Class Class Class Class value* E1 E2 F1 F2 M1 M1–2 M2 M2–3 5.0 16 50 16 500 1600 10 kg 2.5 8.0 25 80 250 800 5 kg 1.0 3.0 10 30 100 300 2 kg 0.5 1.6 5.0 16 50 160 1 kg 0.25 0.8 2.5 8.0 25 80 500 g 0.10 0.3 1.0 3.0 10 30 200 g 0.05 0.16 0.5 1.6 5.0 16 100 g

Class M3 5000 2500 1000 500 250 100 50

OIML R 111, Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3 - Part 1: Metrological and technical requirements, 2004, pages12

SEMINAR METALURGI 2008

Pada OIML R110 dijelaskan MPE dari massa pembeban berdasarkan kelas akurasinya, seperti pada tabel 4 dibawah [3]: Table 4 Maximum permissible error for mass of the weights of pressure balance Accuracy Class Pressure Maximum Permissible Error (relative value) for the Balance adjustment of the mass of the weights (%) 0.005 0.5 × 10-5 0.01 1.5 × 10-5 0.02 1.5 × 10-5 0.05 5 × 10-5 0.1 16 × 10-5 0.2 16 × 10-5 OIML R 110, Pressure Balance, 1994, pages10

3. METODE PERCOBAAN Beberapa metode dapat digunakan untuk menentukan susceptibilitas magnet dan magnetisasi beban, diantaranya: Metode gausmeter, metode atraktif dan metode suseptometer. Dalam percobaan ini hanya digunakan metode ketiga, menggunakan suseptometer. Susceptometer yang digunakan adalah buatan Sarorius dengan spesifikasi: kapasitas maksimum beban 50 kg, dengan resolusi 0.000 001 g. Sampel massa pembeban yang digunakan berasal dari pressure balance yang berbeda-beda, baik itu pressure balance standar, working standar ataupun pressure balance under test laboratorium lain yang sedang dikalibrasi. Selain itu dari jenisnya, yaitu hydraulic ataupun pneumatic pressure balance, seperti yang terlihat pada tabel 5 berikut:

Table 5 Sampel massa pembeban pressure balance Pressure Balance Type / S/N Mark HYDRAULIC 1. Ruska Hydraulic / 2485 3 2. Budenberg Hydraulic / 529 G A6533-2 3. DH Budenberg Hydraulic / 16959 20 AKO SEMINAR METALURGI 2008

PNEUMATIC 4. DH Instrument 5. Bell & Howell 6. Pressurement 7. Budenberg

Pneumatic / 7601 Pneumatic / 4258 Pneumatic / 58607 Pneumatic / 20325

5 LIN 59 58608-9 11

Instalasi alat dan pengambilan data adalah seperti yang digambarkan pada gambar 2 sebagai berikut:

Gambar 2. gambaran pengambilan data [4]. Dengan langkah-langkah yang mengacu pada OIML R 111, sebagai berikut: •

Tahap awal dilakukan pengukuran diameter dan tinggi beban pressure.

•

Penentukan nilai Z (jarak antara magnet dengan sisi dasar pan) sesuai dengan estimasi kelas dari beban tersebut.

•

Tahapan selanjutnya pengambilan data nilai susceptibilitas magnet, letakkan massa pembeban tepat ditengan pan, kemudian membaca nilai yang ditampilkan susceptometer. Hal ini dilakukan pada 2 posisi reference magnet yang berbeda, posisi ‘north’ dan posisi ‘south’. dan lakukan hal yang sama dengan tahapan pada posisi ‘north’.

SEMINAR METALURGI 2008

•

Kedua tahapan ini dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan data, untuk mendapatkan nilai rata-ratanya.

•

Kemudian nilai tersebut dimasukkan kedalam software analisis data untuk menghitung nilai magnetic susceptibilitas dan magnet permanennya beserta ketidakpastiannya.

•

Pembandingan hasil pengukuran terhadap referensi yang ada, yaitu OIML R110 dan OIML R11.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari pengukuran suceptibilitas magnet terhadap beberapa macam massa pembeban pressure balance didapatkan hasil, seperti pada table 6 berikut:

Tabel 6. Hasil pengukuran susceptibilitas magnet dan magnetisasi berbagai beban pressure balance Pressure Balance Susceptibility Magnetization HYDRAULIC 1. Ruska 0.0033 ± 0.0004 0.0319 ± 0.0358 2. Budenberg 0.0849 ± 0.0177 1.9933 ± 1.0365 3. DH Budenberg 3.279 ± 22.495 98.9515 ± 37.0079 PNEUMATIC 4. DH Instrument 0.0813 ± 0.0141 -0.1367 ± -0.8965 5. Bell & Howell 0.0651 ± 0.0113 0.5827 ± 0.0589 6. Pressurement 0.0049 ± 0.0005 2.2707 ± 0.0954 7. Budenberg 17.212 ± 0.097 1327.9017 ± 196.5294

Dapat terlihat bahwa untuk massa pembeban pressure balance standar RUSKA, Budenberg, DH Budenberg untuk hydraulic dan DH Instrument, Bell & Howell serta Pressurement (nomer 1, 2 dan 3, baik hydraulic ataupun pneumatic), mempunyai nilai yang lebih kecil dari pressure balance under test dari lab lain yaitu Pneumatic Budenberg. Hal ini menandakan bahwa dari pembuatannya sendiri terdapat suatu aturan

SEMINAR METALURGI 2008

yang ketat tentang susceptibilitas magnetik material massa pembeban, khususnya yang akan dijadikan standar tekanan yang tentunya harus memiliki akurasi yang tinggi. Dari table 6 diatas, dapat diklasifikasikan akurasi dari pressure balance stadard, berdasarkan susceptibilitas magnet dan magnetisasi massa pembebannya menurut OIML R110 dan OIML R111 adalah seperti pada tabel 7 berikut[3][4]: Tabel 7. Klasifikasi kelas massa pembeban dan akurasi pressure balance Pressure Balance Akurasi Kelas Massa MPE Tinjauan Pressure Pembeban (ppm) Balance (%) HYDRAULIC 1. Ruska Susceptibility E1 0.5 0.005 2. Budenberg Susceptibility E2 1.5 0.005 3. DH Budenberg Magnetization F2 16 0.01 PNEUMATIC 4. DH Instrument Susceptibility E2 1.5 0.005 5. Bell & Howell Susceptibility E2 1.5 0.005 6. Pressurement Susceptibility E1 0.5 0.005 7. Budenberg Magnetization M2 50 0.05

Terdapat 2 tinjauan klasifikasi massa pembeban berdasar susceptibilitas magnet atau dari magnetisasi massa pembeban. Hal ini dikarenakan OIML R111 hanya mengklasifikasikan massa berdasarkan nilai suseptibilitas magnetnya, maksimum pada kelas F2 dengan nilai 0.8 untuk massa ≥ 20 g. Sehingga klasifikasi massa yang memiliki nilai susceptibilitas ≥ 0.8 didasarkan pada magnetisasinya. Untuk massa pembeban pressure balance yang mempunyai susceptibilitas magnet yang tinggi seperti pada pressure balance under test pada tabel 6, perlu lebih diperhatikan kondisi lingkungannya agar terbebas dari paparan medan magnet yang dapat mempengaruhi hasil pengukuran karena adanya pengaruh interaksi magnet. Dari karakterisasi yang dilakukan, dapat diketahui klasifikasi kelas massa pembeban yang dapat juga dijadikan dasar klasifikasi kelas akurasi dari standard

SEMINAR METALURGI 2008

tekanan pressure balance. Akan tetapi metode yang paling tepat untuk mengetahuinya adalah dari hasil kalibrasi [4]. Kedepannya, pengecekan susceptibilitas magnet dan magnetisasi massa pembeban pessure balance dapat dilakukan secara berkala untuk memonitoring performa dari standard atas pengaruh dari kondisi lingkungan, yang dimasukkan kedalam prosedur ”cek antara” seperti yang diisyaratkan dalam ISO 17025:5.9 [1][2]. Perlu diteliti lebih lanjut pengaruh susceptibilitas magnet dan magnetisasi massa pembeban pressure balance terhadap tekanan yang dihasilkan.

5. KESIMPULAN 1. Telah berhasil dilakukan pengukuran susceptibilitas magnet dan magnetisasi pada beberapa massa pembeban standard tekanan pressure balance dengan menggunakan Sartorius susceptometer, mengacu pada referensi internasional OIML R111. 2. Hasil pengukuran menunjukkan nilai susceptibilitas magnet dan magnetisasi massa pembeban yang bervariasi, yang berkisar antara 0.0049 s/d 17.212 untuk susceptibility dan 0.5827 s/d 1327.9017. 3. Klasifikasi kelas massa pembeban pressure balance dapat diperoleh berdasarkan nilai susceptibilitas magnet dan magnetisasi dari hasil pengukuran, terletak diantara kelas E1 s/d M2. 4. Dari klasifikasi kelas massa pembebannya didapatkan juga kelas akurasi dari standard tekanan pressure balance, yaitu antara 0.005% s/d 0.05%.

SEMINAR METALURGI 2008

DAFTAR PUSTAKA [1] DP.01.33(E), KAN guide on measurement assurance, KAN, Indonesia, 2004 [2] ISO/IEC 17025, General requirement for the competence of testing and calibration laboratories - Chapter: 5.9 “Assuring the Quality of Test and Calibration Results”, 2005 [3] OIML R110, Pressure Balance, BIPM, France, 1994 [4] OIML R111, Weights of classes E1, E2, F1, F2, M1, M1–2, M2, M2–3 and M3 Part 1: Metrological and technical requirements, BIPM, France, 2004 [5] N. T. Eka D., Magnetisasi dalam pabrikasi anak timbangan kelas E1 dan E2, disampaikan dalam kolokium bidang metrologi, 2005 [6] Rudi A. S., Pengembangan Teknik Penentuan Kesetimbangan Tekanan dalam Sistem Kalibrasi Pressure Balance, PPI-KIM, Jakarta, 2007. [7]

SIGMA-ALDRICH, Magnetic Properties of Material, www.sigmaaldrich.com/materials-sciences/alternative-energymaterials/magnetic-materials/tutorial/properties, 2008.

Internet,

SEMINAR METALURGI 2008