Cách giảm sai số đo trong quá trình đo lường

Xác định nguồn sai số trước khi tìm cách giảm

Sai số đo không chỉ xuất phát từ thiết bị. Một quá trình đo có thể chịu ảnh hưởng đồng thời của dụng cụ, phương pháp, điều kiện môi trường, người thực hiện, mẫu và cách xử lý kết quả. NIST cũng mô tả việc đặc trưng hóa quá trình đo dựa trên độ lặp lại, độ tái lập, độ ổn định, kiểm soát quá trình, hiệu chuẩn và đánh giá độ không đảm bảo đo.

Về cơ bản, nên phân biệt hai nhóm:

·         Sai số hệ thống: có xu hướng giữ nguyên hoặc biến đổi theo quy luật trong các phép đo lặp lại. Khi nguyên nhân đã được xác định, có thể áp dụng hiệu chỉnh phù hợp

·         Sai số ngẫu nhiên: tạo ra sự phân tán giữa các kết quả đo lặp lại và thường được đánh giá thông qua độ biến thiên của tập dữ liệu

Điểm quan trọng là đo lặp không tự động loại bỏ sai số hệ thống. Nếu thiết bị bị lệch theo một hướng cố định, nhiều lần đo có thể cho một giá trị trung bình rất ổn định nhưng vẫn lệch khỏi giá trị tham chiếu. VIM cũng phân biệt rõ độ chính xác, độ đúng, độ chụm và sai số đo; cải thiện độ chụm không đồng nghĩa với loại bỏ sai số hệ thống.

Hiệu chuẩn thiết bị để giảm sai số hệ thống

Hiệu chuẩn là một trong những biện pháp quan trọng nhất khi mục tiêu là giảm sai số đo. Thiết bị đã được hiệu chuẩn cho phép liên hệ chỉ thị của thiết bị với một chuẩn đo lường phù hợp, từ đó xác định độ lệch và điều kiện mà kết quả hiệu chuẩn có giá trị. NIST nhấn mạnh rằng khi thiết bị được hiệu chuẩn, các chỉ thị của nó có ý nghĩa trong mối quan hệ với một chuẩn thích hợp.

Quy trình thực tế nên bắt đầu bằng việc xác định rõ:

1.    Đại lượng cần đo và điều kiện đo

2.    Chuẩn hoặc giá trị tham chiếu dùng để đối chiếu

3.    Phạm vi đo cần kiểm soát

4.    Độ không đảm bảo liên quan đến chuẩn và phép hiệu chuẩn

5.    Điều kiện mà kết quả hiệu chuẩn còn có giá trị

Không nên xem hiệu chuẩn là thao tác chỉ thực hiện một lần rồi bỏ qua. Độ ổn định của hệ thống đo và điều kiện sử dụng thực tế vẫn cần được theo dõi. Với các phép đo có yêu cầu kỹ thuật cao, cần xây dựng kế hoạch kiểm soát và hiệu chuẩn phù hợp với thiết bị, phương pháp và mục tiêu đo thay vì áp dụng một khoảng thời gian cố định cho mọi trường hợp.

Hiệu chuẩn cũng không đồng nghĩa với việc mọi sai số đã biến mất. Kết quả đo vẫn cần được xem xét cùng độ không đảm bảo đo. GUM của JCGM cung cấp khuôn khổ quốc tế để đánh giá và biểu đạt độ không đảm bảo đo, trong đó có các thành phần được đánh giá từ dữ liệu thực nghiệm và các nguồn thông tin khác.

Lặp lại phép đo để kiểm soát biến thiên ngẫu nhiên

Đo lặp có tác dụng chính là giúp nhận diện và ước lượng độ biến thiên ngẫu nhiên của quá trình đo. Khi cùng một đối tượng được đo nhiều lần trong các điều kiện tương đương, kết quả thường không hoàn toàn giống nhau; mức phân tán của chúng cung cấp thông tin về độ chụm của phép đo. VIM cho phép đánh giá độ chụm thông qua các phép đo lặp lại trên những đối tượng tương tự, với điều kiện phải tính đến hoặc kiểm soát sự khác biệt giữa các đối tượng.

Có thể thực hiện theo trình tự:

·         Giữ nguyên phương pháp và điều kiện đo cần so sánh

·         Thực hiện nhiều phép đo lặp lại thay vì dựa vào một kết quả đơn lẻ

·         Tính giá trị trung bình cùng độ phân tán phù hợp

·         Kiểm tra các giá trị bất thường trước khi loại bỏ

·         Xem xét liệu biến thiên quan sát được đến từ thiết bị, phương pháp, người đo hay điều kiện môi trường

Số lần lặp không nên được chọn chỉ để làm cho kết quả có vẻ ổn định. Mục tiêu của đo lặp là thu được thông tin đủ để đặc trưng hóa biến thiên của quá trình. NIST mô tả việc đánh giá repeatability, reproducibility và stability như những thành phần của việc đặc trưng hóa quá trình đo.

Đặc biệt, cần phân biệt độ lặp lại với độ tái lập. Các phép đo được thực hiện trong cùng điều kiện có thể cho biến thiên thấp, nhưng khi thay đổi người vận hành, thiết bị, thời gian hoặc điều kiện thực hiện, biến thiên có thể tăng lên. Vì vậy, một quy trình đo tốt cần được đánh giá ở mức phù hợp với cách nó thực sự được sử dụng.

Kiểm soát điều kiện đo để hạn chế sai số phát sinh

Ngay cả thiết bị tốt và đã hiệu chuẩn cũng có thể cho kết quả biến thiên nếu điều kiện đo thay đổi. NIST lưu ý rằng kết quả đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu hình và khả năng của hệ thống đo, phương pháp đo và người thực hiện.

Tùy phép đo, cần kiểm soát những yếu tố có khả năng ảnh hưởng trực tiếp như:

·         Nhiệt độ và độ ẩm

·         Rung động và nhiễu bên ngoài

·         Vị trí, hướng hoặc cách đặt mẫu

·         Thời gian chờ trước khi đọc kết quả

·         Tình trạng của thiết bị và phụ kiện

·         Cách thao tác của người đo

·         Quy trình chuẩn bị mẫu

·         Điều kiện môi trường tại thời điểm hiệu chuẩn và thời điểm đo thực tế

Một nguyên tắc quan trọng là điều kiện hiệu chuẩn phải phù hợp với điều kiện sử dụng hoặc phải có mô hình xử lý ảnh hưởng của sự khác biệt đó. NIST chỉ ra rằng độ không đảm bảo của phép đo không chỉ phụ thuộc vào repeatability và reproducibility mà còn phụ thuộc vào mức độ thực hiện đúng phương pháp đo chuẩn.

Vì vậy, thay vì chỉ ghi “đo trong điều kiện ổn định”, nên xác định cụ thể biến số nào cần ổn định, trong phạm vi nào và biến số đó ảnh hưởng đến kết quả theo cơ chế nào. Cách này giúp kiểm soát sai số có cơ sở hơn so với mô tả định tính.

Chuẩn hóa quy trình và kiểm soát cách thực hiện phép đo

Sai số có thể phát sinh ngay cả khi thiết bị hoạt động bình thường nếu quy trình đo không nhất quán. Một measurement procedure được VIM mô tả là bản mô tả chi tiết của phép đo theo một phương pháp nhất định, dựa trên mô hình đo; quy trình cần đủ rõ để người vận hành có thể thực hiện phép đo.

Một quy trình chuẩn nên quy định rõ:

·         Đối tượng hoặc đại lượng cần đo

·         Thiết bị và phạm vi sử dụng

·         Cách chuẩn bị và định vị mẫu

·         Trình tự thao tác

·         Điều kiện môi trường

·         Cách đọc và ghi kết quả

·         Cách xử lý dữ liệu

·         Tiêu chí phát hiện kết quả bất thường

·         Cách xác định và báo cáo độ không đảm bảo đo khi cần

Chuẩn hóa đặc biệt quan trọng khi nhiều người cùng thực hiện một phép đo. Nếu mỗi người có cách đặt mẫu, thời gian chờ hoặc cách đọc khác nhau, kết quả có thể thay đổi dù cùng sử dụng một thiết bị. Khi đó, vấn đề không còn đơn thuần là “độ chính xác của máy” mà là khả năng kiểm soát của toàn bộ hệ thống đo.

Đánh giá độ không đảm bảo đo thay vì chỉ nhìn vào sai số

Sai số và độ không đảm bảo đo không phải là hai cách gọi khác nhau cho cùng một đại lượng. Sai số là chênh lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu khi khái niệm này có thể được xác lập; độ không đảm bảo đo mô tả sự phân tán của các giá trị có thể được quy cho đại lượng đo dựa trên thông tin hiện có.

Vì vậy, sau khi hiệu chuẩn, đo lặp và kiểm soát điều kiện đo, cần xem xét toàn bộ các thành phần đóng góp vào độ không đảm bảo. NIST TN 1297 phân biệt các thành phần được đánh giá theo dữ liệu thống kê của phép đo và các thành phần được đánh giá từ những nguồn thông tin khác, sau đó kết hợp chúng để biểu đạt độ không đảm bảo của kết quả.

Một quy trình kiểm soát thực tế có thể đi theo chuỗi:

Xác định đại lượng đo → xác định nguồn sai số → hiệu chuẩn → chuẩn hóa quy trình → kiểm soát điều kiện → đo lặp → phân tích biến thiên → đánh giá độ không đảm bảo → theo dõi độ ổn định

Cách tiếp cận này quan trọng hơn việc chỉ tìm một “mẹo giảm sai số”, vì sai số của một phép đo là kết quả của cả hệ thống. NIST cũng xem repeatability, reproducibility, stability, calibration và uncertainty assessment là các thành phần liên quan khi đặc trưng hóa và kiểm soát quá trình đo.

Nếu chỉ tăng số lần đo mà không xử lý sai lệch hệ thống, kết quả có thể ổn định hơn nhưng chưa chắc gần giá trị tham chiếu hơn. Ngược lại, nếu chỉ hiệu chuẩn thiết bị mà bỏ qua điều kiện môi trường và thao tác, biến thiên thực tế vẫn có thể lớn.

Để giảm sai số đo một cách có hệ thống, cần kết hợp hiệu chuẩn để kiểm soát sai số hệ thống, đo lặp để đánh giá biến thiên ngẫu nhiên, chuẩn hóa quy trình và kiểm soát điều kiện đo để hạn chế các yếu tố ảnh hưởng. Bước cuối cùng là đánh giá độ không đảm bảo đo để biết mức độ tin cậy thực tế của kết quả thay vì chỉ dựa vào một con số đo được. Cách tiếp cận này phù hợp với khung đo lường quốc tế GUM/VIM và phương pháp đặc trưng hóa quá trình đo của NIST.