Kalibrasi instrumen dan ketertelusuran

Di sebuah laundry komersial dengan dua belas mesin cuci industri, pengendali pemanas air menunjukkan 70 °C di panel. Operator menyimpulkan proses sudah sesuai spesifikasi. Namun hasil cucian tetap berbau apek, dan linen sebuah rumah sakit gagal uji mikrobiologi yang diminta pelanggan. Pemeriksaan sederhana dengan termometer acuan mengungkap bahwa sensor suhu pada tangki pemanas sudah bergeser 9 °C dari nilai sebenarnya, sehingga air sebenarnya hanya sekitar 61 °C, dan keadaan itu sudah berlangsung lebih dari enam bulan tanpa peringatan dan tanpa catatan. Kesalahan tidak terletak pada mesin atau deterjen, tetapi pada instrumen yang tidak pernah dikalibrasi.

Kalibrasi adalah prosedur tersendiri yang memerlukan dokumentasi sistematis, terpisah dari pekerjaan memasang atau membaca sensor. Bab sensor proses dan transmiter membahas cara sensor bekerja, pengawatan loop 4–20 mA, dan arti sinyal batas; di sini pertanyaannya adalah apakah angka yang dihasilkan benar dan tertelusur ke standar nasional. Dasar umum ketidakpastian dan mutu data dibahas di bab kalibrasi, ketidakpastian, dan mutu data pada rak lintas bidang, sehingga yang ditekankan di sini adalah penerapannya pada transmiter, termostat, dan sakelar proses di mesin. Tanpa ketertelusuran, angka di layar tidak punya makna metrologi.

Batas pembahasan

Cakupannya konsep dasar metrologi instrumen, kalibrasi lapangan dan bengkel untuk instrumen suhu, tekanan, dan loop arus analog, pembacaan sertifikat kalibrasi, aturan keputusan lulus atau gagal, penetapan interval, serta pencatatan dan pelabelan status. Kalibrasi termostat dan sakelar tekanan dibahas singkat karena prinsipnya sama. Instrumen analitik kimia (pH, konduktivitas) dan kalibrasi alat ukur listrik bengkel tidak dibahas; alat ukur listrik cukup dikalibrasi di laboratorium terakreditasi dan dibaca sertifikatnya dengan cara yang sama. Konfigurasi modul masukan analog dan penskalaan di PLC dibahas pada bab PLC lanjutan, dan komunikasi digital (HART, fieldbus) tidak dibahas. Melepas sensor dari tangki air panas atau pipa bertekanan untuk dikalibrasi adalah pekerjaan personel kompeten setelah isolasi, pelepasan tekanan, dan pendinginan menurut prosedur yang dibahas pada bab kerja aman.

Istilah dasar metrologi instrumen

Kalibrasi dimulai dari ketepatan memakai istilah, karena kekeliruan istilah sering berujung pada keputusan lulus atau gagal yang salah di lapangan. Rumusan berikut mengikuti Kosakata Internasional Metrologi (VIM, JCGM 200:2012), kecuali histeresis, yang tidak didefinisikan VIM dan diambil dari IEC 61298-2.

Akurasi. Kedekatan antara nilai terukur dan nilai benar besaran ukur. VIM menegaskan bahwa akurasi bukan besaran dan tidak diberi angka; yang diberi angka adalah galat, yaitu selisih pembacaan terhadap nilai acuan. Di lapangan, "akurasi ±0,5 % rentang" pada lembar data berarti batas galat yang dijamin pabrikan pada kondisi acuannya.

Presisi. Kedekatan hasil pengukuran berulang satu sama lain dalam kondisi yang ditetapkan, misalnya kondisi keterulangan. Instrumen bisa sangat presisi tetapi tidak akurat apabila semua pembacaan mengelompok jauh dari nilai benar; simpangan yang tetap semacam itu disebut galat sistematik.

Resolusi. Perubahan terkecil pada besaran ukur yang masih menghasilkan perubahan tampilan. Pada tampilan digital, resolusi dibatasi oleh jumlah digit. Pada loop 4–20 mA, resolusi terutama ditentukan oleh pengubah analog-digital (ADC) di modul masukan PLC. Modul 12 bit yang memakai seluruh 4.096 cacahnya untuk 4–20 mA memberi sekitar 0,024 % rentang per cacah; bila 4.096 cacah mencakup 0–20 mA, rentang 16 mA hanya mendapat sekitar 3.277 cacah atau 0,031 % rentang per cacah.

Histeresis. Perbedaan pembacaan pada nilai masukan yang sama, bergantung pada arah pendekatan, naik atau turun. Pada pengukur tekanan mekanis dan sakelar proses, histeresis besar menandakan gesekan atau kelonggaran mekanisme. Pada sensor suhu, histeresis yang tampak besar lebih sering berasal dari waktu penstabilan yang kurang di sumber suhu daripada dari elemen sensornya.

Pergeseran (drift). Perubahan perlahan karakteristik instrumen terhadap waktu dalam kondisi operasi normal. Sensor suhu yang terpapar siklus panas-dingin, getaran drum, dan uap kimia deterjen selama berbulan-bulan cenderung bergeser lebih cepat daripada sensor di lingkungan stabil.

Ketidakpastian. Parameter tak negatif yang menggambarkan sebaran nilai yang secara wajar dapat dikaitkan dengan besaran ukur. Ketidakpastian bukan galat yang diketahui, melainkan ukuran lebar daerah tempat nilai besaran ukur diyakini berada. Menurut JCGM 100:2008 (GUM), ia dinyatakan sebagai ketidakpastian baku (simpangan baku) atau ketidakpastian diperluas, yaitu ketidakpastian baku gabungan dikali faktor cakupan $k$ untuk tingkat kepercayaan tertentu.

VIM juga membedakan kalibrasi dari penyetelan: kalibrasi menetapkan hubungan antara nilai yang diberikan acuan dan penunjukan instrumen, sedangkan penyetelan (adjustment) mengubah instrumen supaya penunjukannya mendekati nilai acuan. Kalibrasi sendiri tidak memperbaiki apa pun; ia memberi bukti apakah penyetelan diperlukan.

Ketertelusuran ke standar nasional

Ketertelusuran (traceability) adalah rantai perbandingan pengukuran yang tidak terputus, yang menghubungkan hasil pengukuran lapangan ke standar nasional atau internasional melalui rangkaian kalibrasi dengan ketidakpastian yang dinyatakan pada setiap mata rantai. Di Indonesia, UU 20/2014 tentang Standardisasi dan Penilaian Kesesuaian menempatkan pengelolaan standar nasional satuan ukuran (SNSU) pada BSN dan tugas akreditasi pada Komite Akreditasi Nasional (KAN). Laboratorium kalibrasi yang diakreditasi KAN bekerja menurut ISO/IEC 17025:2017. Rantainya berjalan dari standar nasional ke laboratorium kalibrasi terakreditasi, lalu ke termometer acuan dan kalibrator bengkel, dan akhirnya ke instrumen lapangan. Sertifikat laboratorium terakreditasi menjadi bukti ketertelusuran hanya untuk besaran dan rentang yang tercantum dalam ruang lingkup akreditasinya.

Membaca sertifikat kalibrasi

Sertifikat kalibrasi memuat informasi yang harus dipahami teknisi lapangan. Tiga elemen utamanya: nilai koreksi (correction), yaitu nilai yang ditambahkan secara aljabar pada pembacaan instrumen untuk mendapatkan nilai terbaik; ketidakpastian diperluas (expanded uncertainty) $U$, yaitu setengah lebar interval yang diyakini memuat nilai sebenarnya; dan faktor cakupan $k$, yaitu bilangan pengali ketidakpastian baku gabungan untuk memperoleh ketidakpastian diperluas pada tingkat kepercayaan yang dinyatakan, biasanya sekitar 95 % dengan $k = 2$. Hubungannya:

$$U = k\,u_\text{c}$$

dengan $u_\text{c}$ ketidakpastian baku gabungan dan $U$ ketidakpastian diperluas, keduanya dalam satuan besaran ukur (misalnya °C). Jika sertifikat menyatakan koreksi +0,4 °C dan $U = 0{,}3$ °C pada $k = 2$, nilai koreksi terbaik adalah +0,4 °C, tetapi koreksi sebenarnya diyakini berada antara +0,1 °C dan +0,7 °C dengan tingkat kepercayaan sekitar 95 %. Teknisi tidak boleh mengabaikan angka ketidakpastian ini saat memutuskan apakah instrumen memenuhi toleransi proses.

Sertifikat yang baik memuat identitas instrumen (tipe, nomor seri), identitas standar acuan dan pernyataan ketertelusurannya, kondisi lingkungan saat kalibrasi, titik kalibrasi dan pembacaan pada tiap titik, koreksi dan ketidakpastian diperluas tiap titik, faktor cakupan dan tingkat kepercayaan, serta tanggal kalibrasi. Beberapa hal biasanya tidak ada. Toleransi proses tidak ada karena ditetapkan pemilik proses. Instruksi penyetelan atau perbaikan tidak ada, dan tidak ada jaminan kinerja di luar kondisi kalibrasi. Rekomendasi interval kalibrasi tidak dicantumkan pada sertifikat atau label kecuali disepakati dengan pelanggan (ISO/IEC 17025:2017, 7.8.4.3). Pernyataan lulus atau gagal hanya ada bila pelanggan memintanya; dalam hal itu spesifikasi dan aturan keputusannya disepakati lebih dulu dan aturan keputusan itu dicantumkan di sertifikat (7.1.3 dan 7.8.6).

Prosedur as-found dan as-left dengan lima titik naik dan turun

Kalibrasi lapangan yang benar selalu terdiri atas dua fase terpisah: pengukuran as-found (keadaan sebelum penyetelan apa pun) dan pengukuran as-left (keadaan setelah penyetelan, atau keadaan yang sama bila tidak ada penyetelan). Data as-found adalah rekam jejak kondisi aktual instrumen selama beroperasi sejak kalibrasi terakhir; data ini tidak boleh diubah atau ditimpa sebelum seluruh titik selesai direkam. Menggabungkan atau melewati fase as-found menghapus informasi tentang tren pergeseran instrumen yang seharusnya menjadi dasar penetapan interval kalibrasi berikutnya, dan juga menghapus bukti yang diperlukan untuk menilai produk yang diproses selama instrumen menyimpang.

Pola titik uji yang lazim berasal dari IEC 61298-2:2008 (Ed. 2.0), Tabel 2. Uji lengkap untuk evaluasi kinerja dan uji tipe memakai 11 titik (0, 10, 20, sampai 100 % rentang) dengan 3 atau 5 siklus; uji sederhana untuk uji rutin dan uji sampel memakai satu siklus dengan lima titik pada 0, 25, 50, 75, dan 100 % rentang masukan. Edisi itu sudah digantikan IEC 61298-2:2026 (Ed. 3.0), yang mengeluarkan transmiter pengukuran proses dari lingkupnya; pengujian transmiter kini diatur seri IEC 62828, yaitu IEC 62828-1:2026 untuk prosedur umum dan IEC 62828-3:2018 untuk transmiter suhu. Kalibrasi lapangan umumnya memakai pola uji rutin lima titik itu. Masukan dinaikkan perlahan dari 0 % ke 100 % (jalur naik) lalu diturunkan ke 0 % (jalur turun), tanpa melewati titik lalu kembali, karena lewatan membuat histeresis terbaca salah. Satu siklus memberi galat nol, galat rentang, linearitas, dan histeresis; ketakberulangan (non-repeatability) baru terlihat bila siklus diulang.

Galat pada tiap titik dan nilai turunannya dihitung dengan:

$$e = y - x, \qquad e_{\%} = \frac{e}{S}\times 100\ \%, \qquad h = \left|\,y_\text{turun} - y_\text{naik}\,\right|$$

dengan $y$ pembacaan instrumen yang dinyatakan dalam satuan besaran ukur, $x$ nilai acuan, $S$ rentang ukur (nilai atas dikurangi nilai bawah), $e$ galat, dan $h$ histeresis pada titik itu, semuanya dalam satuan yang sama. Untuk transmiter, $y$ diperoleh dari arus terukur dengan pemetaan linear dua titik dari Bab 2. Histeresis terbesar di antara semua titik dilaporkan sebagai histeresis instrumen. Nonlinearitas berbasis terminal (terminal-based) adalah simpangan terbesar kurva rata-rata naik-turun dari garis lurus yang berimpit dengan kurva itu di titik 0 % dan 100 %, salah satu dari tiga definisi nonlinearitas di IEC 61298-2. Semua nilai ini dibandingkan dengan toleransi proses yang ditetapkan pemilik proses, bukan dengan spesifikasi pabrik semata.

Untuk transmiter suhu Pt100 ada dua cara. Kalibrasi loop penuh menempatkan sensor dan transmiter bersama di sumber suhu, seperti blok kering (dry-block calibrator) atau bak minyak, di samping termometer acuan, sehingga galat sensor dan transmiter terukur sekaligus. Kalibrasi terpisah menguji transmiter dengan simulator resistansi atau resistor presisi bernilai persamaan Callendar-Van Dusen IEC 60751:2022, misalnya 115,54 Ω untuk 40 °C, 130,90 Ω untuk 80 °C, dan 146,07 Ω untuk 120 °C, lalu membandingkan sensornya dengan acuan di sumber suhu. Silabus instrumentasi korpus melatih kedua jalur ini: kalibrasi transmiter RTD dengan kalibrator suhu atau resistor, serta sumber suhu berupa bak minyak, tungku, atau blok kering. Setiap titik dibaca setelah suhu stabil. Pada uji yang sama, sinyal kegagalan transmiter diperiksa dengan memutus satu kawat sensor di meja uji: transmiter yang disetel melapor ke arah bawah harus turun ke 3,6 mA atau kurang, sesuai batas NAMUR NE 43 di bab sensor proses. Alarm alat ukur di PLC diperiksa terpisah setelah transmiter terpasang kembali, sebagai bagian uji fungsi loop.

Sakelar proses dan instrumen tekanan

Termostat, pembatas suhu, dan sakelar tekanan tidak memberi pembacaan terus-menerus, sehingga yang dikalibrasi adalah titik kerja $x_\text{kerja}$ pada arah naik, titik kembali $x_\text{kembali}$ pada arah turun, dan diferensialnya, dengan notasi yang sama seperti di bab kendali proses. Besaran dinaikkan perlahan di dekat ambang sampai kontak berpindah, nilainya dibaca pada acuan, lalu besaran diturunkan sampai kontak kembali. Perubahan yang terlalu cepat membuat titik kerja tampak lebih tinggi karena keterlambatan bola kapiler atau membran. Pengukur dan transmiter tekanan dibandingkan dengan acuan tekanan, yaitu kalibrator tekanan dengan pompa tangan, komparator, atau penguji bobot mati (dead weight tester), dengan pola lima titik yang sama; silabus korpus memuat ketiga cara itu. Pembatas suhu dengan reset manual diuji bahwa ia memutus pada nilai setelannya dan tidak kembali sendiri.

Penyetelan nol dan rentang

Setelah data as-found direkam lengkap dan instrumen dinyatakan di luar batas, teknisi dapat melakukan penyetelan. Dua penyetelan mendasar adalah penyetelan nol (zero adjustment) dan penyetelan rentang (span adjustment). Penyetelan nol menggeser seluruh kurva respons ke atas atau ke bawah sejajar dengan dirinya sendiri, mengoreksi galat yang tetap di seluruh rentang. Penyetelan rentang mengubah kemiringan kurva respons, mengoreksi galat yang sebanding dengan besaran masukan. Silabus korpus melatih penyetelan nol dan rentang terhadap acuan sebagai keterampilan dasar.

Urutan yang lazim adalah nol dahulu, baru rentang, lalu nol diperiksa lagi. Penyetelan rentang memutar kurva terhadap suatu titik poros. Bila poros itu tepat di titik 0 %, nol tidak berubah; bila poros berada di tempat lain, seperti pada banyak mekanisme analog dan transmiter dengan nol terangkat, penyetelan rentang ikut menggeser nol. Karena itu penyetelan diulang bergantian sampai keduanya berada dalam batas, biasanya dalam satu atau dua putaran. Besarnya koreksi dihitung dari titik ujung:

$$e_0 = y_0 - x_0, \qquad f_\text{S} = \frac{x_{100} - x_0}{y_{100} - y_0}$$

dengan $e_0$ galat nol yang harus dihilangkan, $f_\text{S}$ faktor koreksi rentang (tanpa satuan), $y_0$ dan $y_{100}$ pembacaan pada titik 0 % dan 100 %, serta $x_0$ dan $x_{100}$ nilai acuannya. Bila ada histeresis, $y$ yang dipakai adalah rata-rata jalur naik dan turun supaya galat sisa terbagi ke dua arah.

Pada transmiter digital, penyetelan terhadap acuan dilakukan lewat fungsi pemangkasan sensor dan keluaran (sensor trim, output trim) dengan perangkat konfigurasi. Mengubah nilai rentang bawah dan atas di konfigurasi (re-ranging) bukan penyetelan terhadap acuan, karena tidak ada acuan yang terlibat. Menggeser skala di PLC untuk "membetulkan" pembacaan juga bukan kalibrasi: galat transmiter tetap ada dan tersembunyi, dan catatan pergeserannya hilang. Setelah penyetelan, seluruh lima titik naik dan turun diulang untuk data as-left. Bila setelah beberapa putaran penyetelan instrumen masih tidak memenuhi batas, instrumen ditarik dari layanan untuk diperbaiki atau diganti, karena penyetelan tidak memperbaiki kerusakan mekanis atau degradasi elemen sensor.

Keputusan lulus atau gagal dan aturan keputusan

ISO/IEC 17025:2017 mendefinisikan aturan keputusan (decision rule) sebagai aturan yang menjelaskan cara ketidakpastian pengukuran diperhitungkan ketika menyatakan kesesuaian terhadap persyaratan. Pedoman ILAC-G8:09/2019 menguraikan dua aturan biner yang paling umum. Pada penerimaan sederhana (simple acceptance), batas terima sama dengan batas toleransi; hasil yang tepat di dekat batas dapat berpeluang sampai sekitar 50 % bahwa nilai sebenarnya berada di luar toleransi. Pada pita pengaman (guard band) selebar $U$, batas terima dipersempit:

$$L_\text{terima} = T - U$$

dengan $T$ batas toleransi (±, dalam satuan besaran ukur) dan $U$ ketidakpastian diperluas hasil kalibrasi pada $k = 2$. Hasil yang galat terbesarnya tidak melampaui $L_\text{terima}$ dinyatakan lulus dengan peluang terima palsu di bawah sekitar 2,5 %. Perhatikan bahwa $U$ adalah ketidakpastian seluruh proses kalibrasi: termometer acuan hanya satu komponennya, di samping keseragaman dan kestabilan sumber suhu, alat pembaca arus, dan resolusi. Cara menyusun anggaran ketidakpastian secara umum dibahas di bab kalibrasi, ketidakpastian, dan mutu data. Aturan yang dipakai ditulis di prosedur sebelum kalibrasi, bukan dipilih setelah hasilnya terlihat.

Interval kalibrasi berbasis risiko dan riwayat

Tidak ada satu interval kalibrasi yang berlaku untuk semua instrumen di semua pemakaian. ISO/IEC 17025:2017 mengatur laboratorium dan tidak menetapkan interval untuk alat di mesin pelanggan. Panduan penetapan dan peninjauan interval tersedia di ILAC-G24:2022 (padanannya OIML D 10). Dua faktor utama yang menentukan interval adalah konsekuensi kegagalan, yaitu apa yang terjadi bila instrumen menyimpang tanpa terdeteksi, dan riwayat stabilitas instrumen berdasarkan data as-found sebelumnya.

Interval awal diambil dari rekomendasi pabrik atau praktik industri sejenis, misalnya 6–12 bulan (ilustrasi). Bila data as-found konsisten lulus dengan margin besar, interval dapat diperpanjang; bila sering gagal, interval dipersingkat. Instrumen yang mengendalikan parameter keselamatan atau mutu kritis, seperti suhu disinfeksi termal atau pembatas suhu pemanas, diberi interval pendek tanpa memandang riwayatnya. Interval ditinjau setiap siklus berdasarkan data aktual, bukan angka tetap selamanya. Lingkungan operasi, seperti uap deterjen basa kuat, getaran drum, dan siklus termal, dicatat dalam rekam kalibrasi supaya analisis tren bermakna. Pemeriksaan harian sederhana, misalnya membandingkan dua sensor pada tangki yang sama, dapat menangkap pergeseran di antara dua kalibrasi dan termasuk bagian program pemeliharaan terencana.

Pencatatan dan label status kalibrasi

Dokumentasi kalibrasi adalah bukti bahwa pengukuran dapat dipercaya dan dapat dipertanggungjawabkan kepada auditor, pelanggan, atau regulator; prinsipnya sama dengan komisioning sebagai pembentukan bukti di Bab 52. Rekam kalibrasi yang lengkap memuat identitas instrumen (tipe, nomor seri, kode referensi IEC 81346-2), tanggal kalibrasi, nama teknisi, kondisi lingkungan, identitas dan nomor sertifikat acuan yang dipakai, seluruh data as-found dan as-left dengan satuannya, aturan keputusan dan keputusan lulus atau gagal beserta alasannya, serta tanggal kalibrasi berikut yang direncanakan.

Setiap instrumen yang telah dikalibrasi dipasangi label fisik yang tahan panas, lembap, dan bahan kimia. Label minimal memuat kode referensi instrumen (misalnya -B1), tanggal kalibrasi terakhir, tanggal jatuh tempo, status, dan inisial teknisi penanggung jawab. Tiga status lazim dipakai:

Kode referensi mengikuti konvensi rak (-B sensor dan transmiter, -K PLC, -P penunjuk, -T catu 24 V DC, -X terminal), sehingga rekam kalibrasi, diagram pengawatan, dan label lapangan merujuk ke instrumen yang sama. Instrumen berlabel GAGAL disimpan terpisah supaya tidak terpasang kembali. Hasil as-found yang gagal memicu satu langkah tambahan: menilai dampaknya pada produk dan keputusan sejak kalibrasi lulus terakhir, misalnya berapa lama suhu cuci sebenarnya berada di bawah nilai yang ditampilkan.

Contoh kerja: kalibrasi transmiter suhu air panas 4–20 mA

Data (ilustrasi). Transmiter suhu 2 kawat -B1 di kepala sensor Pt100 3 kawat pada tangki air panas mesin cuci komersial, rentang 40–120 °C untuk 4–20 mA, dibaca PLC -K1. Toleransi yang ditetapkan pemilik sistem ±1,5 % rentang. Setelah sirkit diisolasi, tangki dikuras, dan sensor dingin, sensor bersama transmiternya dilepas dan dimasukkan ke blok kering di samping termometer acuan yang dikalibrasi laboratorium terakreditasi KAN dengan $U_\text{acuan} = 0{,}20$ °C pada $k = 2$. Transmiter dicatu 24 V DC di meja uji, dan arusnya dibaca kalibrator arus yang disisipkan seri.

Langkah 1: rentang, toleransi, dan pemetaan. $S = 120 - 40 = 80$ °C, sehingga toleransi $T = 0{,}015 \times 80 = 1{,}2$ °C. Dengan pemetaan linear dari Bab 2, suhu setara arus adalah $y = 40 + (I - 4) \times 80/16 = 40 + 5\,(I - 4)$ °C, yaitu 5 °C per mA. Arus di atas 20 mA masih terbaca sampai sekitar 20,5 mA sebelum jenuh menurut NE 43, sehingga galat di titik 100 % tidak tersembunyi selama keluarannya di bawah batas itu.

Langkah 2: data as-found. Lima titik dibaca naik lalu turun setelah blok stabil.

Galat jalur naik naik teratur dari +0,6 ke +1,4 °C, tanda galat nol ditambah galat rentang; jalur naik hanya menyimpang 0,1 °C dari garis lurus ujung-ujungnya. Kurva rata-rata naik-turun (+0,65; +1,10; +1,35; +1,40; +1,40 °C) melengkung karena jalur turun, sehingga nonlinearitas terminalnya 0,33 °C (0,41 % rentang) di titik 50 %. Galat terbesar adalah +1,6 °C (2,0 % rentang) pada titik 50 % dan 75 % jalur turun, bukan +1,4 °C di titik 100 %. Histeresis terbesar 0,5 °C (0,63 % rentang) di titik 50 %.

Langkah 3: ketidakpastian kalibrasi. Anggaran sederhana (ilustrasi):

$u_\text{c} = \sqrt{0{,}100^2 + 0{,}087^2 + 0{,}014^2} = 0{,}133$ °C, sehingga $U = 2 \times 0{,}133 = 0{,}27$ °C. Ketakberulangan -B1 tidak masuk karena hanya satu siklus diukur; ini batas uji rutin.

Langkah 4: keputusan as-found. Dengan pita pengaman, $L_\text{terima} = 1{,}2 - 0{,}27 = 0{,}93$ °C. Galat +1,6 °C melampaui batas toleransi 1,2 °C, bahkan melampaui $T + U = 1{,}47$ °C, sehingga keputusannya GAGAL tanpa keraguan, dengan aturan mana pun. Satu titik gagal sudah cukup. Galat positif berarti transmiter membaca lebih tinggi daripada suhu sebenarnya, jadi air cuci lebih dingin dari yang ditampilkan; dampaknya pada produk sejak kalibrasi lulus terakhir dinilai dan dicatat.

Langkah 5: penyetelan. Rata-rata galat jalur naik dan turun di 0 % adalah +0,65 °C (0,13 mA) dan di 100 % +1,4 °C. Dengan rumus nol dan rentang, $e_0 = +0{,}65$ °C dan rentang terukur $121{,}4 - 40{,}65 = 80{,}75$ °C (16,15 mA), sehingga $f_\text{S} = 80/80{,}75 = 0{,}991$. Nol disetel turun 0,13 mA, rentang dikecilkan dengan faktor 0,991, lalu nol diperiksa ulang.

Langkah 6: data as-left (ilustrasi). Galat jalur naik −0,1; +0,1; +0,1; 0,0; 0,0 °C dan jalur turun 0,0; +0,5; +0,6; +0,4; 0,0 °C. Galat terbesar +0,6 °C ≤ 0,93 °C, sehingga -B1 LULUS dan diberi label LULUS. Histeresis 0,5 °C tidak berubah karena penyetelan tidak menyentuhnya; sisa galat jalur turun hampir seluruhnya histeresis. Karena itu waktu penstabilan blok kering diperiksa pada kalibrasi berikut, dan bila histeresis tetap, sensor dicurigai.

Kesimpulan. Tanpa data as-found, penyetelan akan menghapus bukti bahwa air cuci sudah lebih dingin 0,6–1,6 °C dari tampilan di sepanjang rentang. Tanpa $U$, batas 1,2 °C tampak longgar, padahal ruang yang aman hanya 0,93 °C. Pt100 kelas B sendiri boleh menyimpang ±0,7 °C pada 80 °C, jadi toleransi loop ±1,2 °C harus menampung sensor dan transmiter sekaligus.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Sensor dilepas dari tangki atau pipa hanya oleh personel kompeten setelah isolasi, pelepasan tekanan, dan pendinginan.

Contoh 1: cek suhu cuci di laundry rumah sakit. Panel menampilkan 71,5 °C, sedangkan termometer acuan di tangki menunjukkan 70,4 °C dengan koreksi sertifikat −0,3 °C. Toleransi ±1,5 °C dan ketidakpastian baku gabungan pemeriksaan 0,15 °C (angka latihan):

$$U = 2 \times 0{,}15 = 0{,}3\ ^\circ\text{C}, \qquad e = 71{,}5 - (70{,}4 - 0{,}3) = +1{,}4\ ^\circ\text{C}, \qquad L_\text{terima} = 1{,}5 - 0{,}3 = 1{,}2\ ^\circ\text{C}$$

Penerimaan sederhana meluluskannya, tetapi pita pengaman menyatakan GAGAL. Untuk suhu disinfeksi termal, aturan pita pengaman yang ditulis di prosedur dipakai, dan dampak air yang 1,4 °C lebih dingin dari tampilan dinilai.

Contoh 2: termostat tangki air panas dapur hotel. Termostat disetel memutus pada 75 °C dengan toleransi ±2 °C (angka latihan). Suhu dinaikkan perlahan; kontak membuka pada acuan 77,6 °C dan menutup kembali pada 71,2 °C:

$$e_\text{kerja} = 77{,}6 - 75{,}0 = +2{,}6\ ^\circ\text{C}, \qquad \text{diferensial} = 77{,}6 - 71{,}2 = 6{,}4\ ^\circ\text{C}$$

Karena kenaikan yang terlalu cepat membuat titik kerja tampak lebih tinggi, uji diulang lebih lambat. Ulangan memberi 77,3 °C (angka latihan), galat +2,3 °C, tetap di luar toleransi, jadi termostat disetel ulang atau diganti dan diferensialnya dicatat.

Contoh 3: nol dan rentang transmiter tekanan pompa air hotel. Transmiter 0 sampai 10 bar dibandingkan dengan kalibrator tekanan pompa tangan. Rata-rata naik-turun as-found 0,15 bar pada acuan 0 dan 9,80 bar pada acuan 10 bar (angka latihan):

$$e_0 = 0{,}15 - 0 = +0{,}15\ \text{bar}, \qquad f_\text{S} = \frac{10 - 0}{9{,}80 - 0{,}15} = 1{,}036$$

Galat berlawanan tanda di kedua ujung, sehingga penyetelan nol saja memperburuk titik 100 % menjadi −0,35 bar. Nol disetel turun 0,15 bar, rentang diperbesar dengan faktor 1,036, nol diperiksa lagi, lalu lima titik as-left direkam.

Contoh 4: riwayat as-found di laundry rumah sakit. Transmiter level tangki air panas dikalibrasi tiap 6 bulan dengan toleransi ±1,5 % rentang dan $U$ 0,2 % rentang. Galat as-found terbesar tiga siklus terakhir 0,5; 0,8; dan 1,1 % rentang (angka latihan):

$$L_\text{terima} = 1{,}5 - 0{,}2 = 1{,}3\ \%$$

Margin menyusut dari 0,8 ke 0,5 lalu 0,2 %, sekitar 0,3 % tiap siklus, sehingga siklus berikut diperkirakan melewati batas terima. Interval dipersingkat, misalnya menjadi 3 bulan (angka latihan), dan penyebab pergeseran yang terus membesar dicari pada sensor dan lingkungannya.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Sertifikat kalibrasi berarti instrumen sudah aman digunakan." Sertifikat hanya menyatakan karakteristik pengukuran pada saat dan kondisi kalibrasi. Sertifikat tidak menyatakan instrumen memenuhi toleransi proses; keputusan itu tanggung jawab pengguna. Laboratorium yang bekerja menurut ISO/IEC 17025 dapat memberikan pernyataan kesesuaian, tetapi hanya bila pelanggan memberikan spesifikasinya dan aturan keputusannya disepakati.

"Instrumen baru tidak perlu dikalibrasi." Sertifikat pabrik instrumen baru belum tentu memenuhi persyaratan ketertelusuran sistem mutu pengguna, dan pengiriman serta pemasangan dapat memengaruhi karakteristiknya. Kalibrasi masuk (incoming calibration) sebelum instrumen dipakai untuk pengukuran proses resmi adalah praktik yang dianjurkan.

"Akurasi ±1 % berarti galat tidak pernah melebihi 1 %." Spesifikasi akurasi pabrik berlaku pada kondisi acuan yang dinyatakan pabrikan, misalnya rentang suhu ruang dan tanpa getaran. Di lapangan, suhu sekitar, catu, dan getaran menambah galat yang bisa melampaui spesifikasi itu. Keputusan diambil dari data kalibrasi pada kondisi pemakaian, bukan hanya dari lembar spesifikasi.

"Histeresis kecil berarti instrumen baik." Histeresis kecil hanya membuktikan respons yang konsisten antara jalur naik dan turun. Instrumen bisa berhisteresis sangat kecil tetapi bergalat nol besar, karena keduanya karakteristik yang terpisah. Evaluasi selalu mencakup galat sistematik, linearitas, dan histeresis bersama-sama.

"Penyetelan nol cukup untuk memperbaiki semua galat." Penyetelan nol hanya menggeser kurva secara seragam. Bila galat berubah sebanding di sepanjang rentang, seperti pada contoh kerja, penyetelan nol saja tidak cukup. Data lima titik naik dan turun justru dirancang untuk membedakan jenis galat itu sehingga kombinasi penyetelan yang tepat dapat ditentukan.

Hubungan dengan bab lain

Pemetaan linear arus ke satuan teknik berasal dari Bab 2. Prinsip sensor, persamaan Pt100, loop 4–20 mA, dan batas NE 43 ada di bab sensor proses dan transmiter, sedangkan titik kerja dan diferensial sakelar proses ada di bab kendali pompa, pemanas, dan proses. Dasar ketidakpastian dan anggarannya dibahas di bab kalibrasi, ketidakpastian, dan mutu data pada rak lintas bidang, dan arti spesifikasi akurasi alat ukur genggam di bab multimeter digital. Isolasi sebelum melepas sensor ada di bab kerja aman, pencatatan sebagai bukti mengikuti Bab 52, dan jadwalnya masuk program pemeliharaan listrik terencana. Pengaruh pembacaan yang tergeser pada kendali ON-OFF dan PID dibahas pada bab elemen kendali akhir dan loop kendali, sedangkan penskalaan dan alarm masukan analog di PLC dibahas pada bab PLC lanjutan.

Latihan dan pembahasan

1. [Hitung] Transmiter -B2 berentang 0–200 °C. Pada titik 50 % (100 °C), pembacaan jalur naik 101,8 °C dan jalur turun 102,4 °C. Hitung (a) galat jalur naik dalam % rentang, (b) galat jalur turun dalam % rentang, (c) histeresis di titik ini dalam °C dan % rentang.
2. [Hitung] Sertifikat termometer acuan menyatakan koreksi pada 80 °C = −0,15 °C, $U = 0{,}10$ °C, $k = 2$. Termometer menunjukkan 80,00 °C. Berapa nilai suhu terbaik, dan dalam rentang berapa nilai sebenarnya diyakini berada pada tingkat kepercayaan sekitar 95 %?
3. [Hitung dan tafsir] Toleransi proses ±2,0 °C untuk transmiter berentang 50–150 °C. Ketidakpastian diperluas kalibrasi $U = 0{,}3$ °C ($k = 2$). Galat terbesar yang teramati +1,8 °C. Apa keputusannya dengan penerimaan sederhana dan dengan pita pengaman selebar $U$? Jelaskan beda risikonya.
4. [Tafsir] Seorang teknisi menyetel rentang transmiter -B3 lebih dulu, lalu mendapati titik nolnya bergeser. Jelaskan mengapa hal ini terjadi, urutan yang benar, dan alasannya.
5. [Tafsir] Transmiter -B4 dikalibrasi setiap 6 bulan (ilustrasi). Data as-found tiga kalibrasi terakhir memberi galat terbesar 0,3 %, 0,4 %, dan 0,3 % rentang, sedangkan toleransi proses ±1,5 % rentang. Argumen apa yang mendukung perpanjangan interval menjadi 12 bulan, dan syarat apa yang tetap harus dipenuhi?
6. [Tafsir dan hitung] Lembar data transmiter menyebut akurasi ±0,5 % rentang, histeresis ≤ 0,2 % rentang, dan pergeseran ≤ 0,1 % rentang per tahun. Mengapa ketiga angka ini tidak begitu saja dijumlahkan menjadi galat total, dan bagaimana menggabungkannya dalam analisis ketidakpastian?

Kunci jawaban beralasan

1. Rentang $S = 200 - 0 = 200$ °C. (a) Galat naik $= 101{,}8 - 100{,}0 = +1{,}8$ °C, atau $1{,}8/200 \times 100 = +0{,}90$ % rentang. (b) Galat turun $= 102{,}4 - 100{,}0 = +2{,}4$ °C, atau $+1{,}20$ % rentang. (c) Histeresis $= |102{,}4 - 101{,}8| = 0{,}6$ °C, atau 0,30 % rentang. Histeresis dinyatakan sebagai nilai mutlak karena yang dicari besar perbedaannya, bukan arahnya.
2. Nilai terbaik = pembacaan + koreksi = $80{,}00 + (-0{,}15) = 79{,}85$ °C. Dengan $U = 0{,}10$ °C, nilai sebenarnya diyakini berada di 79,75–79,95 °C dengan tingkat kepercayaan sekitar 95 %. Setelah koreksi diketahui, pembacaan mentah 80,00 °C tidak dipakai lagi dalam hitungan berikutnya.
3. Penerimaan sederhana: batas terima = toleransi = 2,0 °C; galat 1,8 °C ≤ 2,0 °C, jadi LULUS, tetapi dengan $U = 0{,}3$ °C nilai sebenarnya bisa sampai sekitar 2,1 °C, sehingga ada peluang nyata instrumen sebenarnya di luar toleransi. Pita pengaman: $L_\text{terima} = 2{,}0 - 0{,}3 = 1{,}7$ °C; 1,8 °C > 1,7 °C, jadi GAGAL. Pita pengaman menekan peluang terima palsu di bawah sekitar 2,5 % dengan harga lebih banyak tolak palsu (ILAC-G8). Aturan mana yang dipakai ditetapkan di prosedur sebelum kalibrasi.
4. Penyetelan rentang memutar kurva terhadap titik porosnya. Bila poros tidak tepat di titik 0 % masukan, seperti pada banyak mekanisme analog dan transmiter dengan nol terangkat, perubahan kemiringan ikut menggeser keluaran di titik 0 %. Urutan yang benar: nol dahulu, lalu rentang, lalu nol diperiksa lagi dan diulang bergantian sampai keduanya dalam batas. Penyetelan nol tidak mengubah kemiringan, sehingga memulai dari nol membuat putaran ulang paling sedikit.
5. Argumen perpanjangan: tiga data as-found berturut-turut ≤ 0,4 % rentang, dengan margin 1,1–1,2 % rentang terhadap toleransi 1,5 % dan tanpa tren naik, sehingga laju pergeseran rendah. Syarat: data itu benar-benar as-found sebelum penyetelan; lingkungan dan pemakaian tidak berubah berarti; instrumen tidak mengalami benturan, paparan kimia berlebih, atau perbaikan; fungsinya bukan fungsi keselamatan yang intervalnya ditetapkan pendek; dan keputusan didokumentasikan dengan metode yang jelas, misalnya menurut ILAC-G24, lalu dipantau pada kalibrasi berikutnya.
6. Pertama, spesifikasi akurasi pabrikan sering sudah mencakup nonlinearitas, histeresis, dan ketakberulangan, sehingga menambahkan histeresis lagi bisa menghitung ganda; lembar data harus dibaca dulu. Kedua, penjumlahan langsung (0,5 + 0,2 + 0,1 = 0,8 % rentang) menganggap semua sumber mencapai batasnya bersamaan, yang peluangnya kecil. Menurut JCGM 100, setiap batas diubah menjadi ketidakpastian baku; untuk distribusi seragam $u = a/\sqrt{3}$, yaitu 0,289; 0,115; dan 0,058 % rentang. Gabungan kuadratnya $u_\text{c} = \sqrt{0{,}289^2 + 0{,}115^2 + 0{,}058^2} = 0{,}316$ % rentang dan $U = 2u_\text{c} = 0{,}63$ % rentang. Bila histeresis sudah termasuk akurasi, $u_\text{c} = 0{,}294$ % dan $U = 0{,}59$ % rentang. Pergeseran per tahun dikalikan dengan interval kalibrasi sebelum dimasukkan.

Referensi