Sai số đo phát sinh từ những nguồn nào?

Bốn nguồn thường gặp nhất là thiết bị đo, phương pháp đo, môi trường và người thực hiện. Các nguồn này có thể xuất hiện riêng lẻ hoặc tác động đồng thời, khiến kết quả bị lệch theo một hướng nhất định hoặc dao động giữa các lần đo.

Sai số đo là gì và vì sao không thể xem kết quả đo là tuyệt đối?

Về bản chất, sai số đo mô tả độ lệch giữa kết quả đo và giá trị quy chiếu của đại lượng. Giá trị quy chiếu có thể là giá trị chuẩn, giá trị quy ước hoặc một giá trị được chấp nhận làm cơ sở so sánh.

Có thể biểu diễn khái quát:

Sai số đo = Giá trị đo − Giá trị quy chiếu

Dấu của sai số cho biết kết quả đo lệch về phía cao hơn hay thấp hơn giá trị quy chiếu. Tuy nhiên, trong thực hành đo lường, không nên đồng nhất sai số với độ không đảm bảo đo. Sai số là một độ lệch cụ thể giữa kết quả và giá trị quy chiếu, còn độ không đảm bảo đo mô tả mức độ chưa chắc chắn gắn với kết quả đo.

Một phép đo có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn cùng lúc. Chẳng hạn, một thiết bị có đặc tính đo chưa phù hợp, được sử dụng theo phương pháp không thích hợp, trong điều kiện nhiệt độ thay đổi và do người thực hiện đặt mẫu không đúng vị trí. Khi đó, việc chỉ nhìn vào con số cuối cùng sẽ không cho biết kết quả sai lệch từ đâu.

Vì vậy, muốn đánh giá sai số đo một cách có hệ thống cần xem xét cả chuỗi đo, từ thiết bị và phương pháp đến điều kiện thực hiện và thao tác của người đo.

Sai số đo có thể phát sinh từ thiết bị như thế nào?

Thiết bị đo là một nguồn sai số quan trọng vì chính thiết bị chuyển đại lượng cần đo thành giá trị có thể đọc hoặc ghi nhận.

Sai số có thể xuất hiện khi thiết bị có độ lệch chỉ thị, hiệu chuẩn không phù hợp, độ phân giải hữu hạn, đặc tính kỹ thuật không đáp ứng yêu cầu hoặc bị ảnh hưởng bởi tình trạng vận hành. Ví dụ, một dụng cụ có điểm 0 bị lệch sẽ tạo ra sai lệch có tính hệ thống nếu người đo không phát hiện và hiệu chỉnh phù hợp trước khi đo.

Một thiết bị cũng có thể cho kết quả khác nhau khi hoạt động ngoài điều kiện mà đặc tính kỹ thuật của nó được xác lập. Vì vậy, không thể chỉ dựa vào việc thiết bị vẫn hiển thị số để kết luận rằng phép đo đang đáng tin cậy.

Cần phân biệt độ phân giải với độ chính xác. Một thiết bị có thể hiển thị nhiều chữ số nhưng điều đó không tự động có nghĩa kết quả gần giá trị quy chiếu hơn. Số chữ số hiển thị chỉ phản ánh khả năng biểu diễn của thiết bị, trong khi chất lượng kết quả còn phụ thuộc vào đặc tính đo và điều kiện sử dụng.

Do đó, khi nghi ngờ sai số đến từ thiết bị, cần kiểm tra tình trạng thiết bị, khả năng hiệu chuẩn, giới hạn kỹ thuật và sự phù hợp của thiết bị với đại lượng cần đo.

Phương pháp đo tạo ra sai số bằng cách nào?

Ngay cả khi thiết bị hoạt động tốt, phương pháp đo vẫn có thể tạo ra sai số nếu cách đo không phù hợp với đại lượng, mẫu hoặc mục đích cần xác định.

Một phương pháp đo quy định cách bố trí phép đo, cách tác động lên đối tượng, cách đọc hoặc xử lý kết quả và các điều kiện cần kiểm soát. Nếu một trong những yếu tố này không phù hợp, kết quả có thể lệch dù thiết bị không có vấn đề rõ ràng.

Ví dụ, khi đo một đại lượng phụ thuộc vào vị trí, việc thay đổi vị trí đặt cảm biến có thể làm thay đổi kết quả. Tương tự, nếu phương pháp yêu cầu mẫu phải ổn định trước khi đo nhưng người thực hiện đo ngay khi mẫu chưa đạt trạng thái cần thiết, kết quả sẽ phản ánh cả trạng thái chưa ổn định đó.

Sai số do phương pháp thường khó nhận biết nếu chỉ kiểm tra thiết bị. Một thiết bị đã được hiệu chuẩn vẫn có thể tạo kết quả không phù hợp nếu nguyên lý đo, trình tự thao tác hoặc cách xử lý dữ liệu không phù hợp với nhiệm vụ đo.

Vì vậy, phương pháp phải được đánh giá theo câu hỏi: đo đại lượng này bằng cách nào để kết quả phản ánh đúng đại lượng cần xác định? Đây là bước quan trọng để phân biệt lỗi của thiết bị với lỗi nằm trong thiết kế hoặc thực hiện phép đo.

Môi trường ảnh hưởng đến sai số đo ra sao?

Môi trường có thể tác động trực tiếp đến thiết bị, đối tượng đo hoặc chính quá trình truyền và ghi nhận đại lượng cần đo.

Các điều kiện như nhiệt độ, độ ẩm, rung động, áp suất, nhiễu điện hoặc các tác động vật lý khác có thể làm thay đổi trạng thái của hệ thống đo. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào loại đại lượng, thiết bị và phương pháp đang sử dụng.

Một trường hợp điển hình là nhiệt độ. Nếu thiết bị hoặc mẫu có tính chất thay đổi theo nhiệt độ, việc nhiệt độ môi trường biến động trong quá trình đo có thể khiến kết quả thay đổi ngay cả khi người đo không thay đổi thao tác.

Môi trường cũng có thể tạo ra sai số gián tiếp. Chẳng hạn, rung động làm thay đổi vị trí tương đối giữa thiết bị và mẫu; nhiễu điện ảnh hưởng đến tín hiệu; hoặc điều kiện môi trường không ổn định khiến các lần đo lặp lại có kết quả phân tán hơn.

Do đó, kiểm soát môi trường không đơn thuần là giữ phòng đo “ổn định”. Điều quan trọng là xác định yếu tố môi trường nào có khả năng ảnh hưởng đến đại lượng đang đo, sau đó duy trì hoặc theo dõi yếu tố đó trong phạm vi phù hợp với phương pháp và thiết bị.

Người thực hiện có thể tạo sai số đo như thế nào?

Người thực hiện ảnh hưởng đến kết quả thông qua cách lựa chọn, chuẩn bị, đặt, đọc và ghi nhận phép đo.

Một số sai lệch có thể xuất hiện khi người đo đọc sai vị trí chỉ thị, đặt thiết bị không đúng, tác động lực không phù hợp, chọn sai thang đo, bỏ qua bước ổn định hoặc ghi chép nhầm kết quả.

Trong những phép đo cần thao tác thủ công, cùng một thiết bị có thể cho kết quả khác nhau nếu hai người thực hiện theo cách khác nhau. Đây là lý do phương pháp đo cần quy định thao tác rõ ràng và người thực hiện cần được hướng dẫn phù hợp.

Tuy nhiên, không nên quy mọi sai lệch cho “lỗi con người”. Nếu một thao tác dễ bị thực hiện sai, nguyên nhân có thể nằm đồng thời ở thiết kế phương pháp, hướng dẫn, giao diện thiết bị hoặc điều kiện làm việc. Việc tìm nguồn sai số cần xem xét toàn bộ hệ thống thay vì chỉ quy trách nhiệm cho cá nhân.

Một dấu hiệu đáng chú ý là khi các kết quả thay đổi rõ rệt giữa những người thực hiện khác nhau trong khi thiết bị và đối tượng đo không đổi. Khi đó, cần kiểm tra tính nhất quán của thao tác và khả năng tái lập của phương pháp.

Làm thế nào để xác định và giảm sai số đo?

Không có một cách xử lý duy nhất cho mọi phép đo. Trước hết cần xác định nguồn gây sai lệch, sau đó mới chọn biện pháp kiểm soát phù hợp.

Có thể xem xét theo trình tự:

1.    Kiểm tra thiết bị: Xác nhận thiết bị phù hợp với đại lượng cần đo, tình trạng hoạt động và tình trạng hiệu chuẩn

2.    Kiểm tra phương pháp: Xem lại nguyên lý, trình tự thao tác, cách đặt mẫu và cách xử lý kết quả

3.    Kiểm tra môi trường: Xác định các điều kiện có khả năng tác động đến thiết bị, mẫu hoặc tín hiệu đo

4.    Kiểm tra thao tác: Đối chiếu cách thực hiện với quy trình và đánh giá khả năng lặp lại giữa các lần đo hoặc người đo

5.    Đo lặp và đối chiếu: Nếu cần, thực hiện các phép đo lặp lại hoặc so sánh với giá trị quy chiếu để tìm dấu hiệu của sai lệch hệ thống và biến động ngẫu nhiên

Điểm quan trọng là không nên chỉ tìm một nguyên nhân duy nhất. Một kết quả đo có thể chịu tác động đồng thời của nhiều nguồn, trong đó có nguồn tạo ra sai lệch có tính hệ thống và nguồn làm kết quả dao động giữa các lần đo.

Vì vậy, giảm sai số hiệu quả không chỉ là thay thiết bị hoặc đo lại nhiều lần. Cần kiểm soát cả thiết bị, phương pháp, môi trường và thao tác ở mức phù hợp với yêu cầu của phép đo.

Sai số đo không chỉ xuất phát từ bản thân thiết bị. Nó có thể hình thành từ phương pháp, điều kiện môi trường và người thực hiện, đồng thời các nguồn này có thể tác động cùng lúc. Muốn đánh giá độ tin cậy của một kết quả đo, cần xem xét toàn bộ quá trình tạo ra kết quả thay vì chỉ nhìn vào con số cuối cùng. Khi nguồn sai số được xác định đúng, biện pháp kiểm soát mới có thể được lựa chọn phù hợp và nhất quán.