Bài viết này bàn luận về các vấn đề cơ bản của độ không đảm bảo đo trong đo lường và hiệu chuẩn. Nhận biết độ không đảm bảo đo liên quan đến đo lường và hiệu chuẩn là một khái niệm rất cơ bản. Độ không đảm bảo đo xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như từ thiết bị dùng để thực hiện phép đo, từ điều kiện môi trường, từ nhân viên thực hiện phép đo, và từ nhiều nguồn khác.
2. Ví dụ kinh điển
Một ví dụ minh họa về độ không đảm bảo đo trong thực tế: yêu cầu 3 người đo cùng một sợi dây và cho biết kết quả chiều dài của sợi dây, 3 người có thể tự chọn dụng cụ đo và phương pháp đo.
Rất nhiều khả năng là 3 người sẽ cho ra kết quả khác nhau:
- Người thứ nhất: kết quả là khoảng 60cm. Anh ta sử dụng một thước nhựa 10cm, đo một lần và đưa ra kết luận.
- Người thứ hai: kết quả là 70cm. Anh ta dùng 3 cái thước dây để đo và kiểm tra hai lần để đảm bảo kết quả đưa ra là đúng.
- Người thứ ba: kết quả là 67,5cm, với độ không đảm bảo đo là ±0,5cm. Anh ta sử dụng một cái thước dây đo chính xác và đo nhiều lần để lấy giá trị trung bình và độ lệch chuẩn. Ngoài ra, anh ta cũng kiểm tra sợi dây căng ra là bao nhiêu khi nó bị kéo và lưu ý rằng điều này có một chút ảnh hưởng đến kết quả.
Ví dụ đơn giản này đã cho thấy rằng có nhiều thứ đã ảnh hưởng lên kết quả đo lường và hiệu chuẩn: dụng cụ đo, phương pháp được sử dụng và cách làm của người thực hiện phép đo.
3. Giải thích ngắn về thuật ngữ
Thế nào là độ không đảm bảo đo trong đo lường và hiệu chuẩn? Chúng ta có thể nói một cách đơn giản rằng đó là “một sự không chắc chắn” trong đo lường và hiệu chuẩn, có nghĩa là độ không đảm bảo đo cho chúng ta biết phép đo lường và hiệu chuẩn được thực hiện tốt như thế nào.
Nên nhớ rằng sai số không giống như độ không đảm bảo đo. Khi chúng ta so sánh trang thiết bị với chuẩn tham chiếu, sai số là sự khác biệt giữa hai phép đo này. Nhưng sai số không có ý nghĩa trừ khi chúng ta biết được độ không đảm bảo đo.
Ví dụ một nhân viên thực hiện phép đo nhiệt độ, anh ta đưa ra giới hạn chấp nhận là ±10C và tìm thấy sai số tối đa là 0,50C, anh ta đưa ra kết luận là kết quả đạt và chấp nhận kết quả. Mặc dù vậy, sau khi phân tích kết quả đo, anh ta thấy độ không đảm bảo đo tổng hợp là ±20C. Đây là một phép đo không tốt.
4. Thực hiện một phép đo đơn giản để biết được độ lệch chuẩn
Cách đơn giản đầu tiên, thay vì thực hiện phép đo một lần, bạn lặp lại phép đo nhiều lần. Nếu bạn thực hiện việc lặp lại phép đo trong nhiều lần, bạn tìm được giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của phép đo. Vì vậy bạn có thể biết được kết quả có thể khác biệt là bao nhiêu giữa các phép đo.
Các thành phần của độ không đảm bảo đo có được từ phép tính độ lệch chuẩn, được gọi là độ không đảm bảo đo loại A.
Ví dụ như bạn thực hiện phép đo nhiệt độ nhiều lần, bạn sẽ biết được sự sai lệch giữa các lần lặp lại là ±0,20C. Trong lần đo tới, mặc dù bạn chỉ thực hiện phép đo một lần, nhưng bạn vẫn biết được rằng có thể có sự sai lệch là ±0,20C, vì vậy bạn có thể đưa con số này vào phép tính toán và không nên để phép đo tiến gần tới giới hạn chấp nhận.
Vì vậy nếu bạn thực hiện phép đo nhiều lần lặp đi lặp lại cho các loại thiết bị tương tự nhau, thường thì bạn có thể thực hiện phép đo một lần và sử dụng độ lệch chuẩn điển hình của phép đo thử nghiệm. Dĩ nhiên, bạn phải thực hiện phép đo để tìm ra được độ lệch chuẩn điển hình của loại thiết bị đó.
5. Chuẩn tham chiếu và liên kết chuẩn
Một trong những thành phần lớn nhất tham gia vào độ không đảm bảo đo là chuẩn tham chiếu (thiết bị/phương tiện) được dùng để thực hiện kỹ thuật đo lường/hiệu chuẩn. Khi bắt đầu xây dựng quy trình hiệu chuẩn, bạn nên chọn một chuẩn tham chiếu phù hợp cho mỗi phép đo. Một điều quan trọng cần phải nhớ rằng là thông số kỹ thuật chính xác do nhà sản xuất cung cấp không đủ để sử dụng và không được xem như là độ không đảm bảo đo của chuẩn tham chiếu cho việc sử dụng trong nhiều năm. Thay vào đó, đối với phòng hiệu chuẩn thì chuẩn tham chiếu phải được hiệu chuẩn định kỳ bằng một chuẩn khác có đủ năng lực (độ không đảm bảo đo đủ nhỏ) và chuẩn tham chiếu phải được liên kết chuẩn.
6. Các thành phần khác của độ không đảm bảo đo
Thông thường, có một số khác biệt giữa những người khác nhau thực hiện phép đo lường và hiệu chuẩn. Cho nên, nhân viên thực hiện phép đo cũng ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo.
Nếu trên cùng một phép đo mà sử dụng các chuẩn tham chiếu (thiết bị/phương tiện đo) khác nhau để thực hiện kỹ thuật đo lường và hiệu chuẩn thì gần như có khả năng có sự khác biệt giữa lần thực hiện với các chuẩn tham chiếu khác nhau. Nếu như các chuẩn tham chiếu có độ chính xác (độ không đảm bảo đo) khác nhau thì sẽ có một sự khác biệt tương đối lớn.
Điều kiện môi trường thực hiện phép đo lường và hiệu chuẩn khác nhau cũng ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo.
Một số thiết bị có dạng hiển thị tương tự (analog; ví dụ kim chỉ của áp kế hoặc dụng cụ đo nhiệt độ) có độ phân giải, các giá trị chỉ có thể được đọc với độ chính xác nhất định khi quy định góc nhìn đúng trong quá trình thực hiện phép đo. Trong trường hợp đầu đọc kỹ thuật số, độ phân giải (con số thập phân) luôn bị giới hạn, sẽ gây ra độ không đảm bảo đo (chúng ta chỉ có thể đọc đến số thập phân cuối cùng).
Các khía cạnh kỹ thuật khác nhau trong quá trình đo lường và hiệu chuẩn, việc ứng dụng và thời gian, tần suất sử dụng thiết bị thực hiện phép đo cũng ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo. Ví dụ, trong hiệu chuẩn nhiệt độ, bắt buộc phải có thời gian chờ đủ lâu để nhiệt độ ổn định và phải đảm bảo có đầu dò thích hợp nhúng ngập vào khối nhiệt độ; Trong hiệu chuẩn áp suất thì phải tránh rò rỉ và phải đảm bảo áp lực ổn định. Nhìn chung, bất kỳ một biến động hoặc thay đổi nào của các biến số được đo sẽ gây ra độ không đảm bảo đo. Ngoài ra còn có một số biến số ngẫu nhiên trong quá trình thực hiện phép đo.
Chúng ta có thể tóm tắt các thành phần có trong độ không đảm bảo đo:
- Thiết bị được thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.
- Chuẩn tham chiếu (thiết bị/phương tiện dùng để thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.)
- Quy trình thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.
- Điều kiện môi trường thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.
- Con người thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.
- Các thành phần khác của độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào số lượng trang thiết bị được thực hiện phép đo lường/hiệu chuẩn.
Các thành phần kể trên thuộc độ không đảm bảo đo loại B.
- Độ không đảm bảo đo tổng hợp
Độ không đảm bảo đo loại A (độ lệch chuẩn) có được là do phép tính, nhưng một số độ không đảm bảo đo loại B khác nhau thường được ước tính. Sau khi độ không đảm bảo đo loại A được tính và độ không đảm bảo đo loại B được ước tính thì cộng các đại lượng đó lại với nhau, nhưng phải đảm bảo rằng tất các các đại lượng độ không đảm bảo đo phải cùng đơn vị. Cũng vậy, các đại lượng nên có cùng hệ số phủ/mức độ tin cậy.
Các thành phần của độ không đảm bảo đo độc lập với nhau được cộng lại, phép cộng các độ không đảm bảo đo thành phần lại với nhau có thể làm cho kết quả trở nên tệ (trong trường hợp xấu nhất). Thay vào đó, chúng ta cộng các thành phần lại với nhau theo phương pháp căn bậc hai của tồng bình phương. Có nghĩa là, bình phương mỗi thành phần, sau đó cộng lại với nhau và lấy căn bậc hai của tổng các bình phương.
Độ không đảm bảo đo tổng hợp:
Trong đó: U(1) …U(n) là độ không đảm bảo đo của mỗi thành phần
8. Hệ số phủ/mức độ tin cậy
Khi độ không đảm bảo đo đã được xác định thì nó sẽ được nhân thêm với hệ số phủ (k), thường thì lấy hệ số phủ k=2 (hoặc 2 sigma). Phép nhân này được thực hiện để có được mức độ tin cậy lớn hơn cho kết quả.
Theo phân bố chuẩn (Gaussian), các giá trị sigma khác nhau ứng với mức độ tin cậy:
1 sigma (k=1) ứng với mức độ tin cậy là 68%.
2 sigma (k=2) ứng với mức độ tin cậy là 95%.
3 sigma (k=3) ứng với mức độ tin cậy là 99,7%.
9. Độ không đảm bảo đo mở rộng
Độ không đảm bảo đo được công bố là độ không đảm bảo đo mở rộng. Độ không đảm bảo đo mở rộng bằng độ không đảm bảo đo nhân với một hệ số phủ k (giá trị sigma) tương ứng với một mức độ tin cậy.
10. Cách ghi độ không đảm bảo đo trong kết quả hoặc giấy chứng nhận hiệu chuẩn
Trên kết quả hiệu chuẩn, chúng ta biểu hiện độ không đảm bảo đo theo giá trị ± và cũng nêu ra hệ số phủ/mức độ tin cậy. Ví dụ cách biểu hiện độ không đảm bảo đo ở nhiệt độ 20,50C là ± 0,10C (k=2).
11. Tuyên bố sự phù hợp –đạt hoặc không đạt
Thông thường khi thực hiện phép đo lường và hiệu chuẩn thiết bị,chúng ta đưa ra một tiêu chuẩn chấp nhận, ví dụ như các kết quả nằm trong giá trị giới hạn được xem là đạt và ngoài phạm vi giá trị giới hạn được xem là không đạt. Có nhiều cách diễn giải khác nhau, độ không đảm bảo đo nên được tính đến khi quyết định kết quả đạt hay không đạt.
Một số ví dụ trong hình bên dưới:
Trong hình này: hình kim cương (◊) là kết quả của phép đo, đoạn thẳng trên và dưới (-) thể hiện độ không đảm bảo đo của phép đo.
Chúng ta có thể diễn giải kết quả cho các trường hợp khác nhau (so với giới hạn trên) ở hình trên:
- Trường hợp 1: khá rõ ràng, nằm trong giới hạn chấp nhận, thậm chí có tính đến độ không đảm bảo đo. Vì vậy, chúng ta có thể tuyên bố kết quả này đạt.
- Trường hợp 4: khá rõ ràng, nằm ngoài giới hạn chấp nhận, thậm chí có tính đến độ không đảm bảo đo. Vì vậy, chúng ta có thể tuyên bố kết quả này không đạt.
- Trường hợp 2 và 3: có một chút khó khăn để đánh giá. Chắc chắn trong trường hợp 2 thì kết quả nằm trong giới hạn chấp nhận, trong khi đó trường hợp 3 thì kết quả nằm ngoài giới hạn chấp nhận, đặc biệt là khi không quan tâm đến độ không đảm bảo đo. Nhưng khi tính đến độ không đảm bảo đo, chúng ta không thể nói như vậy với độ tin cậy được xác định.
12. Ví dụ độ không đảm bảo đo
Ví dụ dưới đây sẽ phân tích sự khác nhau của độ không đảm bảo đo trong thực tế:
Trường hợp 1 và trường hợp 2 có cùng kết quả trong phép đo, vì vậy không có độ không đảm bảo đo thì xem như cùng mức độ đo. Nhưng khi độ không đảm bảo đo được tính đến thì trường hợp 1 là không chấp nhân vì độ không đảm bảo đo được sử dụng trong phép đo này là quá lớn với giới hạn chấp nhận đã được đưa ra.
Nhìn trường hợp 3 và trường hợp 4 thì hình như trường hợp 3 tốt hơn, nhưng có độ không đảm bảo đo thì chúng ta có thể thấy rằng không đủ tốt để tuyên bố đạt, trong khi trường hợp 4 thì có thể nói đạt.
Tóm lại, chúng ta cần phải biết độ không đảm bảo đo trước khi đánh giá kết quả của một phép đo lường và hiệu chuẩn. Nhìn lại ví dụ ở trên, ở trường hợp 1 và trường hợp 2 có kết quả giống nhau nhưng khi độ không đảm bảo đo được tính đến thì kết quả lại khác nhau.
Nguồn: Beamex Calibration white paper. Calibration uncertainty for non-mathematicians.