PENGEMBANGAN SISTEM KALIBRASI EAR THERMOMETER …ppi.kim.lipi.go.id/download/prosiding/2016/39. Pengembangan Sistem Kalibrasi Ear...PENGEMBANGAN SISTEM KALIBRASI EAR THERMOMETER DENGAN

PENGEMBANGAN SISTEM KALIBRASI EAR THERMOMETER

DENGAN BLACKBODY CAVITY TERBUAT DARI ALUMUNIUM DI

PUSAT PENELITIAN METROLOGI LIPI

Iip Ahmad Rifai1, Dwi Larassati2, Ghufron Zaid3

1,2,3 Pusat Penelitian Metrologi-LIPI

Gedung 420 Kompleks PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan

[email protected]

INTISARI

Saat ini ear thermometer telah mulai banyak digunakan di Indonesia. Sayangnya hal tersebut

belum ditunjang oleh adanya fasilitas kalibrasi yang ear thermometer, oleh karena itu untuk

menjamin ketertelusuran pengukuran suhu ear thermometer di Indonesia, dalam penelitian ini

Pusat Penelitian Metrologi LIPI mengembangkan sistem kalibrasi ear thermometer dengan

blackbody cavity terbuat dari alumunium. Telah dirancang sebuah sistem kalibrasi ear

thermometer sebagai pengembangan peralatan yang ada yang terdiri dari thermometer tahanan

platina, bak minyak silicon dan sebuah pengembangan blackbody cavity baru yang dibuat dari

bahan aluminium. Hasil pengukuran pada 5 buah ear thermometer uji pada rentang kalibrasi

35~42 C menghasilkan penyimpangan di kisaran -2 sampai 2 C. Teknik kalibrasi ear thermometer

dengan menggunakan metode yang sesuai dengan standar JIS T 4207: 2005 akan dilaporkan dalam

makalah ini.

Kata kunci: ear thermometer, blockbody, sistem kalibrasi.

ABSTRACT

Currently ear thermometer is widely used in Indonesia. Unfortunately this situation is not yet

supported by the ear thermometer calibration facility, therefore, to ensure measurement

traceability ear thermometer temperature in Indonesia, in this research LIPI Research Center for

Metrology develop ear thermometer calibration system with blackbody cavity made by aluminum.

A calibration system of ear thermometer has been designed using the existing equipment consisting

of a standard resistance thermometer, silicon oil bath and a newly developed blackbody cavity

made by aluminum. The measurement results showed that the calibration of ear thermometer in

the calibration range 35 ~ 42 ° C has produced the deviation 0.5 ~ 2.7 ° C. The ear thermometer

calibration technique according to JIS T 4207: 2005 will be reported in this paper.

Keywords: ear thermometer, blockbody, calibration system.

1. PENDAHULUAN

Suhu badan merupakan salah satu kondisi fisiologis yang digunakan oleh petugas

medis untuk menentukan kondisi pasien dimonitor setiap hari. Oleh karena itu, suhu badan

harus diukur menggunakan termometer klinik yang mempunyai akurasi yang memadai[1].

Salah satu jenis termometer klinik adalah ear thermometer yang termasuk peralatan medis

yang digunakan untuk mengetahui kondisi kesehatan seseorang dengan salah satu

parameter melalui pengukuran suhu pada pisiknya. Suhu badan manusia sehat ideal pada

36,5 ~ 37,5C, jika melebihi nilai suhu tersebut dapat dikatakan orang tersebut perlu

mendapatkan penanganan untuk menurunkan suhu badannya agar tidak berakibat lebih

fatal terhadap jiwanya.

Ear thermometer saat ini sudah sangat banyak digunakan di Indonesia, uji

kelayakan termometer klinik diatur oleh pemerintah melalui Undang-Undang RI nomor

44 tahun 2009 tentang Rumah Sakit dan peraturan perundang-undangan turunannya seperti

Permenkes nomor 363 tahun 1998[2]. Hanya saja sampai saat ini di Indonesia belum ada

fasilitas lab kalibrasi yang menunjang untuk kalibrasi ear thermometer.

Sebagai pengelola teknis ilmiah Standar Nasional untuk Satuan Ukuran (SNSU),

Subbidang Metrologi Suhu Pusat Penelitian Metrologi-LIPI, berkewajiban untuk

merealisasikan ketertelusuran pengukuran besaran suhu, yaitu dengan jalan melakukan

pemeliharaan standar dan menyediakan fasilitas kalibrasi untuk alat-alat standar suhu.

Keterselusuran (traceability) adalah suatu rantai yang tidak terputus dari beberapa

perbandingan, yang masing-masing dinyatakan dengan suatu ketidakpastian pengukuran.

Hal ini untuk memastikan bahwa suatu hasil pengukuran atau nilai dari suatu standar

terpaut dengan suatu acuan yang lebih tinggi, dan seterusnya sampai ke standar primer.

Karena saat ini di Pusat Penelitian Metrologi LIPI belum memiliki sistem kalibrasi

ear thermometer, kami pun merancang sistem menggunakan peralatan yang sudah tersedia,

berupa thermometer tahanan platina, bak minyak silikon dan digabungkan dengan

blackbody cavity yang telah dibuat dari bahan alumunium dipadukan sebagai sistem

kalibrasi ear thermometer.

2. TEORI DASAR

2.1. Ear Thermometer

IR Thermometer atau Ear Thermometer memiliki kelebihan dibanding jenis

thermometer klinik yang lain selain lebih mudah pemakaian, lebih higeinis dan akurat.

Sistem kerja dari thermometer ini mengukur emisi radiasi thermal yang dipancarkan oleh

tympanum dan ear canal. Dengan cara penggunaan memasukkan tip(sensor) thermometer

ke dalam telinga beberapa saat dan langsung mendapatkan nilai suhunya.

Sensor IR yang digunakan adalah sensor piroelectrik yang diikuti oleh konverter arus ke

tegang

lubang telinga (bukan gendang telinga), mudah digunakan, dan respon yang relatif cepat,

karena telinga memiliki kadar suhu yang lebih sensitif ketimbang organ lain. Tepatnya

pada membrane tympanic. Dimana letak membran tympanic berdekatan dengan

hypothalamus yang merupakan pengatur suhu tubuh.

Gambar 1. Skema Telinga

Gambar 2. Ear Thermometer

Cara Kerja dari gendang telinga atau membrana tympani adalah selaput atau

membran tipis yang memisahkan telinga luar dan telinga dalam. Ia berfungsi untuk

menghantar getaran suara dari udara menuju tulang pendengaran di dalam telinga tengah.

. Membran ini sendiri sukup tipis dan hampir transparan, sehingga dapat diasumsikan

membran tersebut merupakan jalur yang untuk memancarkan energi IR dari dalam tubuh,

sehingga energi yang dipancarkan oeh membran timpani dapat dianggap sebagai indikasi

dari suhu tubuh bagian dalam.

……………………………………………………….……………. (1)

Ket: Tb = suhu pasien, konstanta (= , T0

…………………………………………………………………..

(2)

Ket: A adalah area tubuh (target) efektif,

kontanta Stefan Boltzman (=5.67 x 10-8 W/m2.K4),

a = emisivitas dari sekitar (sensor), Tb adalah suhu tubuh,

Ta = suhu sensor, keduanya dalam Kelvin

2.2. Termometer Standar

Termometer tahanan platina dikenal sebagai sensor suhu yang paling teliti dan

akurat dibandingkan jenis termometer lainnya seperti termokopel, termometer cairan

dalam gelas ataupun termometer radiasi. Termometer tahanan platina bekerja berdasarkan

perubahan tahanan yang terjadi pada sensor termometer tersebut akibat dari pengaruh

perubahan suhu media /benda yang diukur.[3]

Gambar 3. Konstruksi termometer tahanan platina

Sumber Gambar: Nicholas, J.V dan D.R. White (1995)[3]

Sistem pengukuran yang lazim digunakan pada sensor termometer tahanan platina adalah

sistem pengukuran 3 kawat dan 4 kawat. Sistem pengukuran tersebut dapat

mengkompensasi terjadinya hambatan dalam pada kawat probe dan kawat platina.

Gambar 4. Sistem pengukuran 4 kawat

Berdasarkan prinsip jembatan tahanan maka sistem pengukuran 4 kawat pada termometer

tahanan platina sesuai dengan Gambar 4 dapat diuraikan dalam persamaan berikut:

Rt = R2 + (r3+r4) - (r1+r2)…………………………………………………………(3)

dengan R3 = R4

Dimana Rt adalah hambatan pada termometer tahanan platina, R2 adalah hambatan

variable yang terbaca pada indikator jembatan tahanan, dan r1, r2, r3, dan r4 adalah

hambatan dalam kawat sambungan. Pengukuran termometer tahanan pada indikator

jembatan tahanan yang optimal adalah apabila penunjukan pada R2 = Rt. Hal tersebut

dapat terjadi pada sistem 4 kawat karena pengaruh hambatan dalam pada kawat

sambungan r3 dan r4 dapat dikompensasi dengan adanya hambatan dalam pada kawat

sambungan r1 dan r2. [4]

Menurut H.L Callendar dan F.E Hoare[4], hubungan antara pengukuran tahanan

dengan suhu ditunjukan pada persamaan 4 dan 5. Persamaan tersebut disebut sebagai

persamaan Callendar van Dusen.

Untuk rentang suhu (0 ~ 630,5)°C;

)1( 20 BtAtRRt ...............................................................................................(4)

Sedangkan, untuk rentang suhu (-183 ~ 0)°C;

320 )100(1 ttCBtAtRRt ..........................................................................(5)

dengan Rt adalah nilai hambatan pada suhu dalam rentang kalibrasi selain di titik es dan

R0 adalah nilai hambatan termometer tahanan platina pada titik es. Nilai koefisien

persamaan A, dan B, C diperoleh melalui proses fitting least square (regresi). Proses

regresi menggunakan 10R

Rt sebagai ordinat dan t sebagai absis.[5]

2.3. Blackbody Cavity

Blackbody adalah permukaan ideal/teoritis yang memiliki sifat-sifat tertentu,

antara lain perfect absorber yaitu menyerap seluruh radiasi yang jatuh padanya, untuk

semua panjang gelombang dan arah datangnya radiasi. Sifat berikutnya adalah perfect

emitter, dimana pada suhu dan panjang gelombang yang sama,blackbody mengemisikan

radiasi panas lebih besar daripada benda nyata (real body). Dan yang terakhir isotropically

diffuseemitter dimana radiasi panas yang diemisikan memiliki besar yang sama pada setiap

arah pancaran [5], seperti yang diperlihatkan secara skematis pada Gambar 5.

Gambar 5. Besarnya radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi.

Karena radiasi blackbody tidak bergantung pada arah emisi, maka radiansi spektral

ke semua arah besarnya sama sehingga nilainya hanya bergantung pada suhu dan panjang

gelombang, dan simbol radiansi diubah menjadi , dengan indeks b

menunjukan blackbody sebagai sumber radiasi panas.

Dengan menggunakan mekanika kuantum, Mac Planck telah merumuskan

hubungan antara suhu blackbody dengan radiasi panas yang diemisikannya dalam bentuk

Persamaan, seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (6) [6]:

dengan:

= panjang gelombang radiasi panas, m

T = suhu blackbody , K

Lb( ,T) = radiansi blackbody pada panjang gelombang

dan suhu T, W.m-2. m-1.str-1

c1= konstanta Planck pertama = 1.19104282.10-16 W.m2.

Merata ke semua arahTidak merata, tergantung arah

c2= konstanta Planck kedua = 0,014388 m.K = 14388 m.K

Sebagai penyerap sempurna (perfectabsorber) dan emiter sempurna (perfect

emitter), blackbody merupakan suatu radiator panas ideal.Tak ada benda lain yang

memiliki sifat yang persis sama dengan blackbody . Berdasarkan pada Persamaan (6)

untuk suatu nilai T tertentu, nilai radiansi hanya merupakan fungsi panjang gelombang

semata sehingga dapat dibuat grafik dari Persamaan (6) seperti yang diperlihatkan pada

Gambar 6

Gambar 6 Grafik radiansi blackbody terhadap panjang gelombang.

Pada Gambar (6) diperlihatkan hubungan antara radiansi terhadap panjang

gelombang untuk beberapa nilai suhu. Tiap nilai suhu memiliki sebuah kurva yang

merupakan fungsi panjang gelombang, sebagai contoh blackbody dengan suhu 1300 K

atau sekitar 1027 C kurvanya meliputi daerah ultra violet, sinar tampak dan infrared,

dengan nilai radiansi maksimumnya pada sekitar panjang gelombang 2 m. Sedangkan

pada suhu 2800 K nilai radiansi maksimumnya berada pada sekitar panjang gelombang 1

m. Pada Gambar 6 terlihat bahwa semakin besar nilai suhunya maka panjang gelombang

untuk radiansi maksimum bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek.

Blackbody cavity yang telah berhasil dibuat dengan standar JIS T 4207: 2005

ditunjukan oleh Gambar 7. blackbody terbuat dari aluminium dibentuk menjadi cylindro-

conical tebal 2 mm, panjang 165mm dan circular aperture 27,5mm permukaan dicoating

(black anodize) dan effective emissivity 0,9995. Blackbody cavity ini akan digabungkan

dengan bak cairan sebagai sumber panas, bak cairan ini memiliki sistem overflow, dimana

cairan dapat didorong ke titik tertinggi bak sehingga seluruh bagian cavity tercelup oleh

cairan.

Gambar 7 . Blackbody buatan Pusat Penelitian Metrologi LIPI

2.4. Bak Cairan

Ear Thermometer bekerja pada rentang ukur 35~42C, sehingga pada system

kalibrasi dapat menggunakan media bak cairan yang suhunya dapat diatur, memiliki

kedalaman yang cukup untuk menempatkan blackbody, memiliki kestabilan dan

keseragaman pada daerah kerjanya maksimum sebesar 0,03C. Untuk mendapatkan nilai

kestabilan dan homogenitas diperlukan karakterisasi pada bak cairan,metode yang

digunakan Radial dan metode Axial, menggunakan 2 buah termometer tahanan platina

standar dan sebuah indikator yang memiliki ketelitian tinggi dan hasil ukur tertelusur ke

ITS 90.

Dan kedua sensor ditempatkan pada titik titik yang sudah ditentukan berdasarkan

bentuk dan posisi daerah kerja yang akan diukur disesuaikan dengan kontruksi black

body yang akan digunakan sebagai media radiasi ditunjukkan Gambar 8.

Gambar 8. Daerah Kerja Untuk penempatan Blackbody pada bak cairan

Ruang overflow bak cairan

Gambar 9. Bak Cairan

5. PENGUJIAN SISTEM KALIBRASI

Sistem kalibrasi ear thermometer dibangun dari peralatan yang sudah tersedia,

thermometer tahanan platina dengan ketidakpastian 0,0053 C dengan indikator standar ;

0,0024 C, bak cairan minyak silicon dan blackbody. Penempatan blackbody pada posisi

ditengah bak cairan yang daerah kerja sudah terukur dengan kestabilan 0,001 C dan

homogeneity 0,014 C , thermometer tahanan platina ditempatkan sedekat mungkin dengan

blackbody (gambar 10). Kalibrasi menggunakan metode perbandingan dimana

penunjukan thermometer standar (thermometer tahanan platina) dibandingkan dengan Ear

thermometer

Pengujian system dilakukan pada 5 buah ear thermometer dengan kode: 1/20110901593,

2/20110901592, 3/Y4299285, 4/Y4299281 dan 5/FT65. Pengambilan data kalibrasi

dilakukan pada titik 35 C, 36 C, 37 C, 38 C, 39 C, 40 C, 41 C, dan 42 C. Proses kalibrasi

mengambil 5 set pembacaan setelah suhu bak cairan stabil suhu standar (t std) dan t ear

.Set up peralatan system kalibrasi ear thermometer seperti gambar 10.

Gambar 10 . Set up Sistem Kalibrasi Ear Thermometer

Indikator Standar

Liquid Bath

Ear thermometer

SPRT

Ruang overflow bak cairan

6. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil kalibrasi Ear Thermometer menggunakan system yang dibuat ditunjukan

pada tabel 1.

Tabel 1 Hasil Pengukuran ear thermometer 1/20110901593

Tabel 2 Hasil Pengukuran ear thermometer 2/20110901592

Tabel 3 Hasil Pengukuran ear thermometer 3/Y4299285

Tabel 4 Hasil Pengukuran ear thermometer 4/Y4299281

Tabel 5 Hasil Pengukuran ear thermometer 5/FT65

Seperti telah diuraikan sebelumnya, bahwa pengembangan sistem kalibrasi ear

thermometer dengan blackbody cavity terbuat dari alumunium ini bertujuan untuk

mengalibrasi ear thermometer yang banyak digunakan untuk keperluan mengukur suhu

tubuh di bidang medis. Tabel 1, 2, 3, 4 dan 5 menunjukan hasil kalibrasi 5 buah ear

thermometer yang berbeda.

Dari tabel 1 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear thermometer 1 adalah

dari 0.8 - 2.1 °C, dari tabel 2 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear thermometer

2 adalah dari 0.5 - 1.9 °C, dari tabel 3 kita dapatkan bahwa besarnya nilai koreksi ear

thermometer 3 adalah dari -1.8 - 0 °C, dari tabel 4 kita dapatkan bahwa besarnya nilai

koreksi ear thermometer 4 adalah dari -1.7 – 0.2 °C, dan dari tabel 5 kita dapatkan bahwa

besarnya nilai koreksi ear thermometer 3 adalah dari -0.6 – 1.1 °C.

Hasil koreksinya dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11 . Grafik

Dari Gambar 11 dapat kita lihat bahwa koreksi hasil kalibrasi dari 5 buah ear

thermometer menyebar dikisaran -2 sampai 2 °C, Bak cairan yang digunakan sendiri

memiliki keseragaman 0.004 °C dan kestabilan 0.005 °C, sehingga dengan besarnya

sebaran nilai koreksi yang mencapai 4 °C bukan disebabkan oleh ketidakpastian bak cairan

awal. Dari analisa sistem kalibrasi yang dibuat, beberapa hal yang bisa menyebabkan

besarnya sebaran ketidakpastian yang terjadi adalah kurang sempurnanya sistem

blackbody cavity dengan cairan, sehingga saat overflow terjadi blackbody cavity tidak

selalu sempurna terendam cairan padahal blackbody cavity seharusnya selalu selalu

terendam cairan, hal itu disebabkan penempatan blackbody cavity di atas ruang overflow,

ruang overflow ini kosong sebelum bak dinyalakan dan saat bak dinyalakan overflow

terjadi namun sistem overflow ini kemungkinan tidak sempurna merendam blackbody.

6. KESIMPULAN

Ear thermometer adalah salah satu alat ukur besaran suhu yang saat ini mulai banyak

digunakan dibidang medis untuk mengukur suhu tubuh manusia, sehingga sangat penting

untuk dijaga nilai ketertelusurannya. Dalam penelitian ini telah dikembangkan sistem

kalibrasi ear thermometer yang terdiri dari thermometer tahanan platina, bak minyak

silicon dan sebuah pengembangan blackbody cavity baru yang dibuat dari bahan

aluminium. Dari pengujian terhadap 5 ear thermometer uji yang telah dilakukan

didapatkan besarnya nilai koreksi yang menyebar dikisaran -2 sampai 2 °C.

°C)

Bila dibandingkan dengan karakteristik bak cairan yang digunakan yang memiliki

keseragaman 0.014 °C dan kestabilan 0.001 °C nilai sebaran koreksi dari -2 sampai 2 °C

tersebut sangat besar, beberapa hal yang bisa menyebabkan besarnya sebaran koreksi yang

dihasilkan adalah kurang sempurnanya sistem blackbody cavity dengan cairan, sehingga

saat overflow terjadi blackbody cavity tidak selalu sempurna terendam cairan padahal

blackbody cavity seharusnya selalu selalu terendam cairan, hal itu disebabkan penempatan

blackbody cavity di atas ruang overflow, ruang overflow ini kosong sebelum bak

dinyalakan dan saat bak dinyalakan overflow terjadi namun sistem overflow ini

kemungkinan tidak sempurna merendam blackbody. Oleh karena itu deperlukan

penyempurnaan desain dari blackbody cavity yang dibuat sehingga seluruh permukaan

blackbody caity terendam pada bak cairan dengan sempurna

Dari hal tersebut diatas dapat disimpulkan bahwa sistem kalibrasi ear thermometer

dengan menggunakan blackbody cavity terbuat dari alumunium telah berhasih dibuat

hanya saja pengujian sistem kalibrasi yang dibuat belum berhasil mengukur sejauh mana

kemampuan sistem tersebut. Agar sistem kalibrasi ear thermometer dengan menggunakan

blackbody cavity terbuat dari alumunium dapat diukur kemampuannya dengan lebih

akuran, diperlukan alat acuan yang kelasnya lebih tinggi atau dilakukan uji banding sistem

pengukuran kalibrasi ear thermometer dengan laboratorium lain, baik berupa uji banding

bilateral ataupun uji banding regional.

7. UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih penulis ucapkan kepada pemberi dana penelitian yaitu DIPA

Pusat Penelitian Metrologi LIPI, kepada pimpinan Pusat Penelitian Metrologi-LIPI dan

jajaran manajemen yang telah menyediakan sarana dan prasarana untuk melaksanakan

penelitian ini. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada Drs. Dede Erawan M.Sc., Ir.

Hidayat Wiriadinata M.Eng.Sc. Arfan Sindhu Tistomo, M. Eng, Rachman Soleh S.T.,

Acep Sujita dan rekan-rekan laboratorium metrologi suhu yang telah memberikan bantuan

dalam penelitian ini.

7. DAFTAR PUSTAKA

[1] OIML R 7 , Edition 1979 (E), Clinical thermometer (mercury-in-glass,with

maximum device)

[2] UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA NOMOR 44. TAHUN 2009, Tentang

Rumah Sakit

[3] Robin E. Bentley,1998. Resistance and Liquid-in-Glass Thermometry (Handbook of

[4] Temperature Measurement.Volume 2).

[5] Nicholas, J.V & White,D.R,2001. Traceable Temperature (An Introduction to

[6] Temperature Measurement & Calibration)..

[7] DeWitt, D.P. dan Gene D.Nutter.1988. Theory and Practice of Radiation

Thermometers. Singapore: John Wiley.

[8] Hartmann, Jürgen. 2010.”Blackbody And Other Calibration Sources”. Dalam M.

Zhang,

[9] Zhuomin dkk.m(Ed.), Radiometric Temperature Measurement (Fundamental). Hal.

282-283

[10] JIS T 4207: 2005 (JMIF/JSA), Infrared ear thermometer

HASIL DISKUSI

- Penanya : Rudiyono (PT. PT. Mandiri Transforma Global)

Pertanyaan : Apakah blackbody cavity ini bisa dipergunakan di bak cairan

yang di miliki lab kalibrasi ?

Jawaban : Bisa, akan tetapi diperlukan penelitian lanjutan sehingga bisa

didapatkan blackbody cavity yang memenuhi kriteria nilai

maksimum kesalahan yang diperbolehkan menurut JIS T 4207:

2005