hayati amalia, nibras fitrah yayienda, miftahul munir...
TRANSCRIPT
Hayati Amalia, Nibras Fitrah Yayienda, Miftahul Munir, Muhammad Azzumar
Pusat Penelitian Metrologi LIPI
Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, 15314
INTISARI
Pusat Penelitian Metrologi - LIPI saat ini sedang mengembangkan metode komparasi untuk keperluan pelayanan kalibrasi parameter tegangan DC pada sebuah digital DC voltmeter. Metode komparasi dilakukan dengan cara membandingkan pembacaan tegangan DC pada digital DC voltmeter standar (DVM STD) dengan pembacaan tegangan DC pada digital DC voltmeter yang dikalibrasi (DVM UUC), yang mana keduanya dirangkai secara paralel dan disuplai oleh sebuah sumber tegangan DC (source). Penambahan beban yang terpasang secara paralel membuat arus masukan yang mengalir ke DVM menjadi lebih kecil dan secara tidak langsung mempengaruhi kemampuan ukur DVM, terutama DVM yang digunakan sebagai STD karena berpengaruh terhadap akurasi hasil kalibrasi. Makalah ini menjelaskan hasil penelitian tentang seberapa besar pengaruh pembebanan terhadap pembacaan tegangan DC pada DVM STD. Pengambilan data untuk penelitian dilakukan dengan menggunakan multifunction calibrator F-5720A sebagai source dan reference multimeter F-8508A sebagai DVM STD. Untuk mensimulasikan adanya beban yang bervariasi, DVM STD dirangkai secara paralel dengan DVM UUC yang memilikiresistansi input yang berbeda secara bergantian, yaitu DVM UUC reference multimeter F-8508A dengan beban >10 G , DVM UUC multimeter K-34401A dengan beban >10 G dan 10 Mpada tegangan uji 10 V, serta DVM UUC reference multimeter F-8508A dan DVM UUC multimeter K-34401A masing-masing dengan beban 10 M pada tegangan uji 100 V. Analisisdilakukan dengan mengevaluasi koreksi penunjukan tegangan DC yang terbaca pada DVM STDterhadap tegangan aktual yang disuplai oleh source pada masing- masing beban. Dari hasil analisis didapatkan koreksi pembacaan tegangan DC pada DVM STD mengalami perubahan ketika diparalel dengan DVM UUC yang resistansi inputnya bervariasi. Pada tegangan uji 10 V, koreksi pembacaan DVM STD yang diparalel dengan reference multimeter F-8508A beban >10 G , multimeter K-34401A beban >10 G , dan multimeter K-34401A beban 10 M masing-masing sebesar 0,800 µV, 1,000 µV, dan -0,532 µV, yang direpresentasikan oleh persamaan
µV, dengan ketidakpastian baku sebesar 0,00938 µV.
Sedangkan pada tegangan uji 100 V, koreksi pembacaan DVM STD yang diparalel dengan reference multimeter F-8508A beban 10 M dan multimeter K-34401A beban 10 M masing-masing sebesar -0,112 mV dan -0,111 mV, yang direpresentasikan oleh persamaan
22240x02210y ,, mV, dengan ketidakpastian baku sebesar 0,000744 mV
Kata Kunci: digital DC voltmeter, efek pembebanan, metode komparasi, resistansi input.
ABSTRACT
Research Center for Metrology - LIPI is developing comparison method to calibrate DC voltageparameter of digital DC voltmeter. Comparison method was performed by comparing the reading of DC voltage value by standard digital DC voltmeter (DVM STD) to the reading of DC
voltage value by digital DC voltmeter under calibration (DVM UUC), both of them were connected in parallel and supplied by DC voltage source. Addition of load installed in parallel caused the input current flowing into the DVM become smaller and indirectly affected the ability of DVM measurement, especially for DVM used as standard because it affected calibration accuracy. This paper explained the result of a study to determine how much the influence of loading effect to the DC voltage reading of DVM STD. Data collection for the study was conducted using multifunction calibrator F-5720A as DC voltage source and reference multimeter F-8508A as DVM STD. To simulate the varying loads, DVM STD is arranged in parallel alternately using DVM UUC that have different input resistance, which is reference multimeter F-8508A at the -34401A at themultimeter K-34401A at the -8508A and multimeter K-34401A, each at the s was done by evaluating the correction of DC voltage reading on DVM STD to the actual voltage supplied by source at each load. Based on analysis result, it was obtained that correction of DC voltage reading on DVM STD changed when arranged in parallel with DVM UUC which input resistance is varying. At the test voltage of 10 V, reading correction of DVM STD which arranged in parallel with reference multimeter F-8508A at -34401A at the -34401A at the 0.800 µV, 1.000 µV, and -0.532 µV, which was represented by equation of
µV, with standard uncertainty of 0,00938 µV. While at the
test voltage of 100 V, reading correction of DVM STD which arranged in parallel with reference multimeter F-8508A at -34401A at the -0.112 mV and -0.111 mV, which was represented by equation of 22240x02210y ,, mV, with
standard uncertainty of 0,000744 mV.
Keywords: digital DC voltmeter, loading effect, comparison method, input resistance.
1. PENDAHULUAN
Kalibrasi digital DC voltmeter (DVM) di Pusat Penelitian Metrologi - LIPI
biasanya dilakukan secara langsung, yaitu membandingkan antara tegangan yang
diberikan / dikeluarkan oleh sumber tegangan DC (source) standar dengan tegangan
yang terbaca oleh DVM tersebut. Beberapa kelebihan dalam penggunaan metode
langsung adalah mudah diimplementasikan, sederhana, dan cocok untuk pengukuran
yang cepat dan dinamis. Oleh karena itu, metode ini sangat popular digunakan dalam
lingkup keteknikan. Namun, jika DVM dengan tingkat akurasi yang lebih tinggi
dikalibrasi dengan source standar yang tingkat akurasinya lebih rendah, seperti
mengkalibrasi DVM reference multimeter F-8508A[1] dengan source multifunction
calibrator F-5720A[2], maka akan membuat ketidakpastian hasil kalibrasi DVM menjadi
besar. Oleh karena itu, Pusat Penelitian Metrologi - LIPI mengembangkan metode
komparasi agar mendapatkan hasil pengukuran yang lebih akurat. Menurut Bakshi[3],
metode komparasi dapat digunakan untuk membandingkan instrumen standar (STD) dan
instrumen yang diuji (Unit Under Calibration/UUC) yang memiliki kehandalan yang
sama.
Metode komparasi adalah membandingkan STD dengan UUC yang memiliki tipe
yang sama. Dalam penelitian ini metode komparasi digunakan untuk membandingkan
DVM sebagai UUC dengan DVM sebagai STD menggunakan alat bantu source.
Pengukuran dengan metode komparasi dilakukan dengan cara menghubungkan source,
DVM STD, dan DVM UUC secara paralel. Hal tersebut merepresentasikan adanya
penambahan beban yang terpasang secara paralel dari metode langsung yang biasanya
digunakan dalam kalibrasi. Sedangkan kemampuan / ketepatan DVM dalam mengukur
dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti efek pembebanan, emf thermal, dan kestabilan
suhu[4].
Penambahan beban yang terpasang secara paralel mengakibatkan resistansi total
sistem pengukuran menjadi lebih kecil, sehingga membuat tegangan yang dikeluarkan
oleh source menjadi lebih kecil. Lebih kecilnya tegangan keluaran source
mengakibatkan lebih kecilnya arus masukan yang mengalir ke DVM STD dan DVM
UUC. Dengan kata lain, pengaruh pembebanan yang diakibatkan penambahan beban
yang terpasang secara paralel membuat arus masukan yang mengalir ke DVM menjadi
lebih kecil dan secara tidak langsung mempengaruhi kemampuan ukur DVM, terutama
DVM yang digunakan sebagai STD karena berpengaruh terhadap akurasi hasil kalibrasi.
Pada penelitian ini dilakukan percobaan dengan memvariasikan beban yang
dipasang paralel dengan DVM STD, yaitu dua buah DVM sebagai UUC dengan
resistansi input >10 G dan satu buah DVM sebagai UUC dengan resistansi input 10
M pada tegangan 10 V, serta dua buah DVM dengan resistansi input 10 M pada 100
V. Hal tersebut bertujuan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh pembebanan
terhadap kemampuan ukur DVM STD.
2. TEORI DASAR
Metode pengukuran DVM secara langsung dengan menggunakan source standar
terkalibrasi merupakan metode pengukuran yang selalu digunakan oleh Pusat Penelitian
Metrologi - LIPI. Diagram skema sistem pengukuran ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Vs
Rs
IDEALMETER
RMA
SOURCE DVM
I1
Gambar 1. Sistem pengukuran DVM secara langsung
Prinsip pengukuran DVM secara langsung adalah mengukur koreksi (c)
pembacaan dari DVM, yakni selisih antara tegangan yang diberikan / dikeluarkan oleh
source (Vcal1) dengan tegangan yang terbaca oleh DVM tersebut (VM1) seperti persamaan
1.
11 Mcal VVc ............................................................................................1
dengan :
sscal RIVV .11
MM RIV .11
dimana :
I1.RS : rugi tegangan yang diakibatkan karena adanya resistansi input pada
VS : adalah tegangan internal source
Vcal1 : tegangan keluaran (output voltage) source
VM1 : tegangan source yang terbaca oleh DVM
Saat ini sedang dikembangkan metode komparasi untuk mengkalibrasi
pembacaan DVM dengan menggunakan DVM terkalibrasi sebagai standar dan
berbantukan calibrator sebagai sumber tegangannya (source)[3]. Sistem pengukuran ini
menggunakan prinsip pengukuran tegangan pada umumnya yaitu menghubungkan
source, DVM STD (meter A), dan DVM UUC (meter B) secara paralel, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.
Vs
Rs
IDEALMETER
RMA
SOURCE
DVM STDMETER A
IA
IDEALMETER
RMB
I2
IB
DVM UUCMETER B
Gambar 2. Sistem pengukuran DVM uji dengan metode komparasi
Prinsip pengukuran menggunakan metode komparasi ini hampir sama dengan
pengukuran langsung, yaitu mengukur koreksi pembacaan DVM UUC (cX). Berdasarkan
hukum Kirchhoff, pengkoneksian instrumen / beban secara paralel, maka akan memiliki
besar tegangan yang sama[5], sehingga berlaku persamaan 2.
XMBSMAcal cVcVV 2 .................................................................................2
dengan :
s2s2cal RIVV .
MBMA
MBMAs
s
total
s2
RR
RRR
V
R
VI
.
Namun, dengan pemasangan beban secara paralel (RMA // RMB), mengakibatkan
resistansi total menjadi lebih kecil dan membuat arus yang masuk ke dalam masing-
masing DVM menjadi lebih kecil dibandingkan pengukuran langsung. Fenomena
tersebut akan memberi dampak lebih baik dibandingkan dengan pengukuran langsung.
Hal tersebut dikarenakan arus yang lebih rendah tidak akan memberikan dampak self-
heating pada resistansi input DVM, karena resistansi memiliki sifat dependensi terhadap
panas atau suhu[6][7]. Oleh karena itu, perbedaan arus masukan pada DVM STD (meter
A) dapat memungkinkan terjadinya perbedaan koreksi pada DVM STD saat diparalel
dengan beban yang bervariasi.
3. METODOLOGI
Pengambilan data untuk penelitian dilakukan dengan menggunakan multifunction
calibrator F-5720A sebagai source dan tiga buah DVM. DVM pertama adalah reference
multimeter F-8508A sebagai DVM STD, sedangkan DVM yang kedua diperlakukan
sebagai beban, yaitu DVM UUC reference multimeter F-8508A dan DVM UUC
multimeter K-34401A. Definisi beban dalam penelitian ini adalah resistansi input (input
resistance) dari DVM. Tegangan DC yang dievaluasi adalah tegangan DC yang terbaca
pada DVM STD.
Titik ukur tegangan uji yang dievaluasi pada penelitian ini adalah 10 V dan 100
V. Tegangan uji 10 V digunakan untuk mensimulasikan pembacaan tegangan DC oleh
DVM STD dengan input resistance
untuk mensimulasikan pembacaan tegangan DC oleh DVM dengan input resistance 10
langsung dan metode komparasi dengan beban yang bervariasi. Metode langsung
dilakukan dengan memberikan tegangan DC keluaran dari source secara langsung pada
DVM STD, lalu dilakukan pembacaan terhadap penunjukan tegangannya. Dalam
pengukuran langsung ini DVM STD tidak dirangkai paralel dengan DVM UUC atau
dengan kata lain menggunakan beban tak terhingga. Sedangkan metode pengukuran
komparasi dilakukan dengan cara merangkai DVM STD secara paralel dengan beban
yang bervariasi secara bergantian. Pada metode komparasi untuk tegangan uji 10 V ini,
beban yang digunakan adalah DVM UUC reference multimeter F-8505A dengan input
resistance DVM UUC multimeter K-34401A dengan input resistance
dan DVM UUC multimeter K-34401A dengan input resistance
DVM STD Reference Multimeter F-8508A
Source Multiproduct Calibrator F-5720A
Gambar 3. Diagram skema pengukuran dengan menggunakan metode langsung
DVM STD Reference Multimeter F-8508A
DVM UUC Reference Multimeter F-8508A /DVM UUCMultimeter K-34401A
Source Multifunction Calibrator F-5720A
Gambar 4. Diagram skema pengukuran dengan menggunakan metode komparasi
Pada tegangan uji 100 V juga dilakukan pengukuran dengan metode langsung
dan metode komparasi. Namun, metode komparasi pada tegangan uji 100 V ini hanya
menggunakan dua variasi beban, yaitu DVM UUC reference multimeter F-8508 dengan
input resistance DVM UUC multimeter K-34401A dengan input resistance
DVM UUC tersebut yang hanya dapat
menerima tegangan 100 V dengan input resistance
rangkaian untuk pengukuran menggunakan metode langsung baik untuk tegangan uji 10
V maupun 100 V ditunjukkan oleh Gambar 3, sedangkan rangkaian pengukuran
menggunakan metode komparasi disajikan oleh Gambar 4.
Analisis dilakukan dengan mengevaluasi koreksi penunjukan tegangan DC yang
terbaca pada DVM STD terhadap tegangan DC aktual yang disuplai oleh source.
Tegangan DC aktual yang disuplai oleh source dicari secara matematis dengan
memanfaatkan arus yang mengalir pada masing-masing rangkaian dan resistansi total
rangkaian yang nilainya telah tertelusur melalui Pusat Penelitian Metrologi - LIPI.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Data hasil pengukuran untuk titik ukur tegangan DC 10 V disajikan pada Tabel 1,
dan untuk titik ukur tegangan DC 100 V ditunjukkan oleh Tabel 2. Pembacaan tegangan
DC oleh DVM STD yang terdapat pada Tabel 1 dan Tabel 2 merupakan rata-rata dari 5
kali pengambilan data.
Tabel 1. Data hasil pengukuran untuk titik ukur tegangan DC 10 V
Tabel 2. Data hasil pengukuran untuk titik ukur tegangan DC 100 V
Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa pada titik uji sebesar 10 V, tegangan DC yang
terbaca oleh DVM STD mempunyai nilai yang semakin kecil seiring dengan semakin
kecilnya resistansi total rangkaian. Fenomena ini juga tejadi pada tegangan uji 100 V
yang ditunjukkan oleh Tabel 2. Hal ini disebabkan semakin kecil resistansi total pada
rangkaian menyebabkan arus yang mengalir pada rangkaian semakin besar. Ketika arus
pada rangkaian semakin besar, tegangan jatuh (loses voltage) yang disebabkan oleh
adanya output resistance dari source menjadi semakin besar sehingga tegangan yang
keluar dari source semakin kecil.
Pembacaan tegangan DC oleh DVM STD yang disajikan pada Tabel 1 dan Tabel
2 selanjutnya dilakukan evaluasi untuk mendapatkan koreksi. Nilai koreksi yang berhasil
didapatkan untuk tegangan uji 10 V disajikan pada Tabel 3 dan untuk tegangan uji 100 V
ditunjukkan oleh Tabel 4.
Tabel 3. Koreksi pembacaan DVM STD terhadap tegangan DC aktual yang disuplai oleh
source pada tegangan uji 10 V
Tabel 4. Koreksi pembacaan DVM STD terhadap tegangan DC aktual yang disuplai oleh source pada tegangan uji 100 V
Nilai yang tersaji pada kolom koreksi pada Tabel 3 dan Tabel 4 tersebut
merupakan koreksi pembacaan tegangan DC pada DVM STD terhadap tegangan DC
aktual yang disuplai oleh source. Berdasarkan Tabel 3 dan Tabel 4 dapat dilihat bahwa
pada masing-masing variasi beban, baik pada tegangan uji 10 V maupun tegangan uji
100 V, koreksi pembacaan DVM STD mempunyai nilai yang berbeda. Hal ini
menunjukkan bahwa selain terjadi perubahan nilai, pembacaan tegangan DC yang
dilakukan oleh DVM STD juga mempunyai koreksi yang bervariasi bergantung pada
besarnya resistansi total rangkaian kalibrasi.
Untuk tegangan uji 10 V, grafik karakterisasi koreksi pembacaan DVM STD
terhadap resistansi total rangkaian kalibrasi ditunjukkan oleh Gambar 5. Berdasarkan
hasil pengukuran yang diperoleh, karakteristik DVM STD tersebut memiliki fenomena
parabolik tertutup, yaitu saat DVM STD tidak terparalel beban koreksi pada DVM STD
bernilai 0 µV, saat DVM STD terparalel dengan beban > 10 G koreksi pada DVM STD
bernilai positif (0,8 µV dan 1 µV), dan saat DVM STD terparalel dengan beban 10 M
koreksi pada DVM STD bernilai negatif (-0,53 µV). Koreksi pembacaan DVM STD
tersebut dapat bermanfaat jika DVM STD digunakan dalam pengukuran metode
komparasi atau terdapat beban yang terhubung secara paralel. Untuk penyederhanaan
karakterisasi pengaruh pembebanan terhadap koreksi pembacaan DVM STD,
dilakukannya pendekatan model polinomial orde dua seperti yang ditunjukkan oleh
Persamaan 3.
3...........................................................3
Gambar 5. Grafik koreksi terhadap resistansi total rangkaian pada tegangan uji 10 V
Untuk tegangan uji 100 V, grafik karakterisasi koreksi pembacaan DVM STD
terhadap resistansi total rangkaian kalibrasi ditunjukkan oleh Gambar 6. Berdasarkan
hasil pengukuran yang diperoleh, karakteristik DVM STD tersebut memiliki fenomena
linear menurun. Saat DVM STD terparalel dengan beban 10 M , koreksi DVM STD
memiliki koreksi di sekitar -0,11 µV. Koreksi pembacaan DVM STD tersebut dapat
bermanfaat jika DVM STD tersebut diparalel dengan beban 10 M . Untuk
penyederhanaan karakterisasi pengaruh pembebanan terhadap koreksi pembacaan DVM
STD, dilakukannya pendekatan model linier seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan 4.
Pada Persamaan 3 dan Persamaan 4, simbol y adalah resistansi total rangkaian dan
simbol x adalah koreksi pembacaan tegangan DC pada DVM STD.
............................................................................................ 4
Gambar 6. Grafik koreksi terhadap resistansi total rangkaian pada tegangan uji 100 V
Pendekatan dengan menggunakan model polinomial orde dua dan model linier ini
mempunyai ketidakpastian yang didapatkan berdasarkan residu hasil pengukuran yang
sebenarnya dengan hasil fitting persamaan yang diperoleh. Residu pengukuran untuk
masing-masing pendekatan model matematis dilakukan menggunakan metode kuadrat
terkecil (least square). Untuk tegangan uji 10 V, residu yang diperoleh dari pemodelan
dengan menggunakan persamaan 3 ditunjukkan oleh Tabel 5. Sedangkan untuk tegangan
uji 100 V, residu yang diperoleh dari pemodelan dengan menggunakan persamaan 4
ditunjukkan oleh Tabel 6.
Tabel 5. Analisa jumlah kuadrat residual untuk tegangan uji 10 V (dalam V)
Tabel 6. Analisa jumlah kuadrat residual untuk tegangan uji 100 V (dalam mV)
Standar deviasi yang ditunjukkan pada Tabel 5 dan Tabel 6 tersebut
merepresentasikan nilai ketidakpastian baku dari pemodelan yang digunakan, yaitu
sebesar 0,00938 µV untuk tegangan uji 10V dan 0,000744 mV untuk tegangan uji 100 V.
5. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengukuran dan analisis yang telah dilakukan dapat
disimpulkan bahwa DVM STD reference multimeter F-8508A secara signifikan
dipengaruhi oleh adanya pembebanan saat pengukuran. Pengaruh pembebanan pada
DVM STD tersebut saat pengukuran tegangan uji 10 V, memiliki koreksi pembacaan
DVM STD sebesar 0,800 µV, 1,000 µV, dan -0,532 µV, yang direpresentasikan oleh
persamaan µV, dengan ketidakpastian baku sebesar
0,00938 µV. Dan saat pengukuran tegangan uji 100 V, memiliki koreksi pembacaan
DVM STD sebesar -0,112 mV dan -0,111 mV, yang direpresentasikan oleh persamaan
mV, dengan ketidakpastian baku sebesar 0,000744 mV. Koreksi-
koreksi pembacaan DVM STD tersebut dapat bermanfaat jika DVM STD tersebut
digunakan untuk mengkalibrasi
tegangan uji 100 V.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada kepala Laboratorium Metrologi
Kelistrikan dan para penyelia yang telah memberikan bimbingan secara teknis penelitian
dan teknis penulisan, serta jajaran manajemen Pusat Penelitian Metrologi - LIPI yang
telah menyediakan sarana dan prasarana untuk melaksanakan penelitian ini.
7. DAFTAR PUSTAKA
[1] _____. 2006. Users Manual : Digital Reference Multimeter 8508A. Fluke
Corporation. UK.
[2] _____. 2005. Service Manual : Multi-Function Calibrator 5700/5720A Series II.
Fluke Corporation. USA.
[3] U.A.Bakshi, A.V.Bakshi, 2009. Measurements And Instrumentation. Technical
Publications. India.
[4] MacLachlan, D. 2013. Getting Back to the Basic of Electrical Measurements.
White Paper Keithley Instruments. USA.
[5] Young, Hugh D.. Freedman, Roger A.. Ford, A. Lewis. 2012. University Physics
with Modern Physics 13th Edition. Pearson Education, Inc. United States of
America.
[6] Azzumar, M dan Faisal, A. 2014. Pengaruh Arus terhadap Nilai Resistansi dari
Resistor Standar 1 m . PPI Standardisasi 2014. Tangerang Selatan.
[7] K, Lukluk, Azzumar, M., dan F, Agah. 2015. Peningkatan kemampuan
Metrologi-
Direct Current Comparator Bridge. PPI-KIM 41. Tangerang Selatan.
HASIL DISKUSI
Tidak ada diskusi.