Kalibrasi Massa

Tuesday, 09 July 2019 Kalibrasi Massa Hits: 8417

Setelah lebih dari satu abad bertahan, standar internasional 1 kg per 20 Mei 2019 resmi diredefinisi kembali! Standar itu berubah! Yang semula 1 kg standar Internasional adalah sebuah benda terbuat dari Platinum-Iridium dengan dimensi tertentu, disimpan di BPIM, Sevres, Prancis, disepakati sebagai 1 kg, sehingga semua salinan standar yang dimiliki oleh negara-nagara lain akan tertelusur kepada massa standar tersebut sebagai rantai kalibrasinya. Untuk kemudian didiseminasikan di negara masing-masing menjadi acuan konvensi massa. Hingga diturunkan sampai ke penggunaan metrologi massa di industri-industri. Hari itu kesepakatan dunia berganti! Acuan massa kini sudah setara dengan besaran-besaran pokok lainnya yang bisa ditelusurkan pada sebuah konstanta alam!

Lalu bagaimana memahami itu semua secara mudah, dan yang lebih penting lagi adalah apakah perubahan itu berdampak sampai ke kita praktisi industri terutama dalam hal pengukuran dan kalibrasi massa? Tak perlu dahi berkerut, mari kita coba rileks kupas sedikit demi sedikit.

Kalau bicara standar sebuah besaran ukur, mungkin kita kembali dulu pada konsepnya yaitu perlunya 3 tahapan dalam pengejawantahan besaran ukur yaitu: tahap Pendefinisian, kemudian tahap bagaimana Merealisasikan-nya, dan tahapan Diseminasi besaran ukur tersebut. Mari kita bicara Definisi dulu. Sejak tahun 1889, massa suatu benda didefinisi sebagai: "Massa Konvensional suatu benda yang mana adalah massa sebuah anak timbangan yang densitasnya 8000 kg/m3, pada suhu 20 °C berada dalam keadaan setimbang dengan benda tersebut dalam densitas udara 1,2 kg/m3", dengan definisi 1 kilogram: "a unit of mass equal to the mass of the international prototype kilogram". Dari definisi di atas, waktu itu, kemudian direalisasikan sebuah standar massa 1 kg berupa benda fisik yang dibuat manusia: "Massa 1 kilogram prototipe Internasional yang berbentuk silinder berdiameter 39 mm, tinggi 39 mm terbuat dari paduan logam 90%Platinum-10%Iridium (Pt-Ir), dengan massa jenis 21,5 g/cm3". Tahap berikutnya adalah Diseminasi. Yang dilakukan adalah dibuat satu buah standar puncak dengan deskripsi realisasi di atas. Diberi nama artefak Prototype K, atau orang menyebut juga The Big 'K'. Dia yang menjadi acuan tertinggi. Kemudian di Laboratorium Prancis dimana artefak tersebut disimpan langsung dibuat salinan yang dibuat persis sama spesifikasinya sejumlah tertentu, dan dilakukan kalibrasi dengan standar ke Big 'K'. Kemudian diturunkan lagi menjadi sekian banyak salinan dengan material yang sama disebar ke seluruh dunia. Di Indonesia sendiri, sesuai ketetapan kepala BSN tahun 2003, standar nasional massa tertinggi adalah anak timbang kelas E0 dengan nomor seri 74 disimpan di direktorat SNSU BSN Puspiptek. Standar nasional tersebut tertelusur ke E0 nomor seri 112492 di NMI Australia. Yang kemudian dari standar nasional tertinggi tersebut didiseminasikan lebih lanjut ke laboratorium-laboratorium kalibrasi hingga ke Industri, direntang menjadi standar anak timbang berbagai kelas (E1, E2, F1, F2, M, dst), dan berbagai besaran, baik diatasnya (2, 5, 10, 20 kg, dst) ataupun dibawahnya (500, 200, 100, 50 gram, dst). Hingga disetiap operasional industri menjadi acuan bagi anak timbang operasional (misal untuk daily check) maupun timbangan itu sendiri sebagai alat untuk mengukur besaran massa suatu benda.

Dunia Metrologi menorehkan sejarah di tanggal 20 Mei 2019, dimana berdasar suara terbanyak oleh perwakilan pemegang standar satuan ukur setiap negara sepakat untuk meredefinisi standar 1 kilogram! Definisi itu diubah menjadi besaran yang bisa diperoleh dari konstanta alam sehingga setiap pihak dengan sumberdaya yang memadai bisa merealisasikannya. Gairah untuk membuatnya menelusur pada konstanta alam (seperti besaran lainnya) tersebut sudah ada sejak 1992. Ketika di Sevres sendiri diketahui ada perubahan error yang semakin membesar pada semua salinan Pt-Ir. Walaupun semua tetap merujuk ke Big 'K' tapi dari sini semua tahu bahwa pasti Big 'K' juga berubah oleh waktu dan tak ada yang tahu seberapa besar perubahan itu. Sementara error tertingi pada salinan prototype, setelah 100 tahun sejak dibuat telah mencapai 69 μg. Grafik dibawah adalah rekaman drift yang terjadi pada salinan Pt-Ir terhadap Big 'K'. Mereka semua dibuat dari material dengan dimensi yang sama, entah siapa yang berubah, pada dasarnya tetap bisa kita anggap Big 'K' juga telah berubah.

Sekian lama penelitian itu, kini definisi kilogram disepakati berubah: "The kilogram (kg) is defined by taking the fixed numerical value of the Plank constant h to be 6,52507015x10^-34 when expressed in the unit J.s, which is equal to kgm2s-1, where the metre and the second are defined of c and Δv". Bagi kita praktisi mungkin sulit untuk menggapai pemahaman definisi di atas secara gamblang. Tapi bisa kita coba pahami ketika definisi tersebut di-Realisasi-kan. Yang menarik adalah, sekian lama penelitian itu para ilmuwan metrologi mengamini pengkerucutan pada dua bentuk realisasi, yaitu:

1. Watt Balance, demikian nama ketika pertama kali dibuat, kemudian disebut juga dengan Kibble Balance sebagai penghormatan kepada sang inovator Bryan Kibble yang telah meninggal di tahun 2016 di usia 77 tahun. Anda bisa googling bila ingin tahu lebih banyak, tapi secara sederhana, itu adalah instrumen yang dioperasikan dalam kondisi vakum, merupakan kesetimbangan dari energi listrik dan energi mekanik. Persamaan matematik rumit itu akhirnya mengerucut dengan pengukuran seksama sebuah massa standar yang diletakkan pada bidang berkecepatan bolak-balik yang terjadi pada instrumen tersebut dan grativasi pada tempat uji, maka kita bisa hitung massa standar tersebut dengan bantuan konstanta Plank h.

2. XRCD Method, atau lebih dikenal dengan Silicon Sphere, sebuah penelitian paralel yang dilakukan sampai bisa menciptakan benda bulat sempurna terbuat dari Silikon murni. Kenapa Silikon, karena saat ini baru material ini yang bisa dibuat secara murni. Prinsipnya adalah dengan mengukur dimensi silicon sphere ini menggunakan combined x-ray and optical interferometry sehingga didapat profil dimensi secara akurat mengikuti kontur permukaannya untuk menghitung volume benda itu, dan dengan bantuan konstanta bilangan Avogadro, dapat dihitung massa-nya. Tantangan metode ini adalah konon pembuatan silikon murni berbentuk bulat sempurna memakan biaya hingga satujuta euro! Metode ini menggunakan konstanta bilangan Avogadro, lalu kenapa pada definisi hanya menyebut konstanta Plank? Karena pada dasarnya antara konstanta Plank dan bilangan Avogadro memiliki hubungan matematis satu dengan yang lain.

Giliran berikutnya adalah men-Diseminasi-kannya. Tahap ini mungkin mirip dengan sebelumnya, hanya bedanya, standar tertinggi tak lagi pada Big 'K', tapi pada massa standar yang diukur pada Kibble Balance atau Silicon Sphere pada metode ke-2 diatas. Bedanya kali ini, realisasinya tak lagi 1 buah obyek benda fisik yang dijaga begitu rupa seksama di Pranci sana, tapi setiap negara atau pihak swasta yang mampu bisa merealisasikannya dan menjadikannya puncak herarki ketertelusuran di lingkupnya.

Pertanyaan penting berikutnya adalah, sejauh mana ini menjadi penting bagi praktisi industri seperti kita ini?

Sebuah tip sederhana untuk menguji di lingkup industri kita mungkin bisa saya usulkan kurang lebih seperti ini:

Kita coba lihat pada metoda sebelumnya menggunakan prototype artefak Big 'K', diketahui hingga sekitar tahun 2010 terdapat keraguan hingga 69 μg. Anggap saja hal itu kita tambahkan pada angka ketidakpastian semua hasil kalibrasi massa di lingkup indsutri kita, entah itu timbangan ataupun anak timbang. Maka sampai dimana hal itu menjadi berarti?

1. Menilai dari sisi anak timbangan yang kita miliki di Industri kita.

Anggap untuk mudahnya saja kita ambil angka aman bahwa 69 μg tidak boleh lebih dari 1/3 mpe. Maka batas itu ada pada 0,2 mg. Bila kita lihat di tabel anak timbang standar OIML, bisa coba klik di sini, mulai dari anak timbang kelas M1 di 5 mg dan lebih kecil, kelas F2 di 200 mg dan lebih kecil, kelas F1 di 10 g dan lebih kecil, kemudian E2 di 100 g dan lebih kecil, dan kelas E1 di 200 g dan lebih kecil.

Kita tinggal cek di lingkup industri kita terhadap kepemilikan anak timbang di atas, apakah ada yang termasuk di dalamnya? Misal contoh ternyata kita punya anak timbang (entah untuk tujuan kalibrasi internal atau cek antara) sebesar 100 mg kelas F2, maka apa yang kita miliki termasuk obyek yang harus kita cek pengaruhnya terhadap redefinisi ini.

Langkah berikutnya adalah kita cek sertifikat kalibrasi terakhir dari anak timbang 100 mg F2 tadi. Yang perlu dicek adalah, saya coba ambil pendekatan gampang, selama penjumlahan koreksi dan ketidakpastiannya masih kurang dari 69 μg, maka tak perlu tindakan lebih lanjut. Secara ilmiah dan risiko bisa kita justifikasi bahwa redefinisi 1 kg memberi dampak risiko yang dapat diterima. Bila tidak, konsekuensinya adalah terdapat risiko yang membutuhkan mitigasi untuk menurunkan tingkat risikonya sehingga dapat diterima. Salah satu cara mitigasinya, adalah kita bisa hubungi lab kalibrasi yang menerbitkan sertifikat untuk meminta keterangan resmi berupa justifikasi metrologi ilmiah apakah risiko masih di batas diterima. Cara lain adalah:

2. Menilai dari sisi titik penimbangan yang kita gunakan di industri kita.

Taruh kata kita pasang batas aman pada tiga kali ketidakpastian yang timbul akibat redifinisi yaitu 3 x 69 μg = kita ambil di angka 0,2 mg. Maka bila kita mengacu ke regulasi industri farmasi pada kalimat 'timbang seksama' yang memberi batas toleransi 1/1000 titik penimbangan, dan bila penambahan ketidakpastian 0,2 mg dianggap berarti pada 1/3 ketidakpastian penimbangan, maka batas itu adalah pada penimbangan terkecil 600 mg. Artinya, bila di lingkup industri kita penimbangan yang dilakukan lebih dari 600 mg, maka redefinisi bisa kita justifikasi tidak memberi dampak risiko. Namun bila tempat kita ada kebutuhan penimbangan kurang dari 600 mg (entah itu di formulasi produksi, atau di laboratorium uji), maka hal yang kemudian kita perlu lakukan sebagai mitigasinya adalah memeriksa sertifikat kalibrasi timbangan yang digunakan untuk penimbangan tersebut. Kita cek koreksi dan ketidakpastiannya, kemudian bisa kita hitung sampai dimana kemungkinan penyimpangan yang terjadi atas hasil penimbangan, dan kita uji apakah hal itu masih dalam rentang toleransi 'timbang seksama'.

Hanya saja memang, bila dari semua itu kita masih menilai bahwa risiko kesalahan penimbangan yang mungkin terjadi akibat adanya redefinisi tetap diatas batas penerimaan risiko diterima, tidak banyak hal yang bisa kita lakukan selain menunggu pemerintah dalam hal ini BSN Direktorat SNSU untuk memberikan kajian ilmiah terhadap diseminasi yang dilakukan sebelum redefinisi dan kemungkinan risiko bagi industri setelah redefinisi.

Begitu pendapat saya.

Pitoyo Amrih

Reference:

1. Modul Pelatihan Metrologi Ilmiah Massa, Timbangan dan Anak Timbang, BSN, 2019

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Kibble_balance

3. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/53/5/A19/meta

4. https://www.youtube.com/watch?v=Oo0jm1PPRuo

5. Mettler Toledo Video Weighing Publication

• Next >