Máy đo "nói dối" vì cảm biến nào cũng thay đổi theo thời gian, nhiệt độ, độ ẩm và cách dùng: số không bị lệch (lệch điểm không), độ nhạy giảm (lệch thang), hoặc phản ứng chậm đi. Hiệu chuẩn là việc so máy với một chuẩn đã biết để biết nó lệch bao nhiêu, rồi ghi lại hoặc chỉnh lại. Người dùng thường không thể tự hiệu chuẩn như phòng thí nghiệm, nhưng hoàn toàn có thể tự kiểm tra bằng vài mốc tự nhiên như nước đá đang tan, không khí ngoài trời, quả cân chuẩn, để biết khi nào nên tin máy.
Hiệu chuẩn là gì, và không phải là gì
Theo Từ vựng Quốc tế về Đo lường (VIM), hiệu chuẩn là xác lập mối quan hệ giữa số chỉ của thiết bị và giá trị của chuẩn đo lường, kèm độ không đảm bảo đo. Điểm quan trọng: hiệu chuẩn trước hết là so sánh và ghi nhận. Việc vặn núm, nhập hệ số để máy chỉ đúng lại gọi là điều chỉnh; thường làm sau hiệu chuẩn, nhưng là một bước khác.
Ở Việt Nam còn có kiểm định: thủ tục bắt buộc theo Luật Đo lường cho những phương tiện đo dùng trong mua bán, an toàn, sức khoẻ (cân thương mại, công tơ điện, đồng hồ nước, cột đo xăng dầu…). Kiểm định trả lời "đạt hay không đạt yêu cầu pháp lý"; hiệu chuẩn trả lời "lệch bao nhiêu". Bài này nói chuyện kỹ thuật bên trong: vì sao cảm biến lệch và làm sao phát hiện.
Bốn kiểu sai của một cảm biến
| Kiểu sai | Biểu hiện | Ví dụ đời thường |
|---|---|---|
| Lệch điểm không (offset) | Mọi số đều cộng hoặc trừ một lượng như nhau | Cân nhà bếp chưa đặt gì đã báo 3 g |
| Lệch thang (độ nhạy, gain) | Sai số tăng theo độ lớn của đại lượng | Cân đúng ở 100 g nhưng ở 2 kg lệch 40 g |
| Phi tuyến | Đúng ở hai đầu, sai ở giữa, hoặc ngược lại | Nhiệt kế đúng ở 0 °C và 100 °C nhưng sai ở 40 °C |
| Trễ và chậm | Đi lên và đi xuống cho số khác nhau, hoặc phản ứng lề mề | Ẩm kế mang từ phòng máy lạnh ra ngoài mất nửa giờ mới ổn định |
Thêm vào đó là trôi số (drift): các sai số kể trên không đứng yên mà thay đổi dần theo tháng năm. Một máy được hiệu chuẩn hoàn hảo hôm nay có thể lệch rõ sau một năm.
Vì sao cảm biến trôi: câu chuyện của từng loại
- Cảm biến khí điện hoá (CO, oxy, H2S): chất điện phân khô dần, điện cực bị ngộ độc bởi hơi silicon, dung môi. Độ nhạy giảm, máy báo thấp hơn thực tế, và đây là kiểu sai nguy hiểm nhất vì nó im lặng.
- Cảm biến hồng ngoại NDIR (CO2): đèn hồng ngoại yếu dần, kính quang học bám bẩn.
- Cảm biến độ ẩm polymer: nhiễm bẩn hoá chất, ở lâu trong không khí bão hoà hơi nước làm trôi số.
- Cảm biến bụi laser: quạt và buồng đo bám bụi, laser già đi.
- Cân điện tử: cảm biến lực (load cell) dùng tấm đo biến dạng; nhiệt độ thay đổi, quá tải, rơi va đập làm lệch. Cân còn phụ thuộc gia tốc trọng trường: cân chính xác cao chuyển từ Hà Nội vào TP.HCM phải hiệu chuẩn lại, vì trọng trường gần xích đạo yếu hơn một chút.
- Nhiệt kế điện tử, cặp nhiệt: vật liệu thay đổi khi dùng lâu ở nhiệt độ cao.
- Điện cực đo pH: màng thuỷ tinh già và bẩn rất nhanh; người dùng chuyên nghiệp hiệu chuẩn bằng dung dịch đệm gần như mỗi ngày.
Nguồn điện cũng đáng nghi: pin yếu làm nhiều máy rẻ báo sai mà không cảnh báo gì.
Khi dụng cụ kiểm tra cũng sai: bài học từ kính Hubble
Kính viễn vọng không gian Hubble được phóng lên năm 1990, và ngay sau đó các nhà khoa học nhận ra ảnh bị nhoè: gương chính mắc lỗi cầu sai. Gương được mài cực kỳ chính xác, chỉ có điều là chính xác theo một hình dạng sai. Cuộc điều tra sau đó tìm ra nguyên nhân nằm ở dụng cụ dùng để kiểm tra gương: một bộ hiệu chỉnh quang học (null corrector) bị lắp lệch khoảng 1,3 mm. Hai phép thử phụ bằng dụng cụ khác từng cho thấy dấu hiệu bất thường, nhưng bị gạt đi vì người ta tin dụng cụ chính hơn. Năm 1993, một chuyến bay sửa chữa của tàu con thoi đã lắp bộ quang học hiệu chỉnh, và Hubble từ đó cho ảnh sắc nét.
Bài học cho mọi người làm đo lường: chuẩn của bạn cũng cần được kiểm tra, và khi hai phép đo độc lập không khớp nhau, sự bất đồng ấy là thông tin quý chứ không phải phiền toái cần gạt đi. Đó chính là ý tưởng của chuỗi liên kết chuẩn: máy của bạn so với chuẩn công tác, chuẩn công tác so với chuẩn cao hơn, lên tới chuẩn quốc gia và cuối cùng là định nghĩa của Hệ đơn vị quốc tế SI. Từ ngày 20 tháng 5 năm 2019, cả bảy đơn vị cơ bản SI đều được định nghĩa qua các hằng số vật lý, kể cả kilogam, vốn trước đó gắn với một khối kim loại lưu giữ ở Pháp.
Tự kiểm tra máy đo ở nhà: những mốc đáng tin
Nhiệt kế: cốc nước đá đang tan
Đổ đầy cốc bằng đá bào nhỏ, thêm nước sạch vừa ngập, khuấy, chờ vài phút. Hỗn hợp đá và nước đang tan nằm rất sát 0 °C. Nhúng đầu dò nhiệt kế que (không chạm đáy, thành cốc). Lệch quá vài phần mười độ là đáng nghi. Nước sôi là mốc kém hơn, vì nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất: lên Đà Lạt cao khoảng 1.500 m, nước sôi chỉ vào khoảng 95 °C. Cách này dành cho nhiệt kế que nhúng; nhiệt kế hồng ngoại đo bề mặt cần cách khác.
Cân: quả cân chuẩn hoặc vật có khối lượng biết rõ
Một bộ quả cân chuẩn nhỏ không đắt. Đặt lần lượt ở giữa mặt cân và ở bốn góc: số khác nhau giữa các góc cho thấy cảm biến lực có vấn đề. Đặt quả cân nhỏ rồi quả lớn để thấy lệch điểm không hay lệch thang.
Ẩm kế: hộp muối bão hoà
Muối ăn trộn ít nước thành hồ sệt, để cùng ẩm kế trong hộp kín vài giờ ở nhiệt độ ổn định; không khí trong hộp ổn định quanh 75% độ ẩm.
Máy đo CO2: không khí ngoài trời thoáng
Ngoài trời thoáng, xa xe cộ và người, CO2 vào khoảng 420 ppm. Máy báo 600 ở đó là lệch.
Máy đo khí an toàn: "bump test"
Trong công nghiệp, máy đo khí cầm tay được thử nhanh bằng khí mẫu nồng độ biết trước trước mỗi ca, gọi là bump test, chỉ để xem cảm biến có phản ứng và còi có kêu. Hiệu chuẩn đầy đủ làm định kỳ. Người dùng máy báo CO gia dụng không có khí mẫu, nên càng cần tôn trọng hạn dùng cảm biến ghi trên máy.
Đọc giấy hiệu chuẩn và thông số cho đúng
- Độ phân giải không phải độ chính xác. Màn hình hiện 0,01 °C không có nghĩa máy đúng tới 0,01 °C.
- Độ chính xác thường ghi kiểu "±(2% số đọc + 1 chữ số)": sai số tăng theo độ lớn của số đọc.
- Độ chụm khác độ đúng. Máy cho mười lần đo giống hệt nhau vẫn có thể sai đều cả mười.
- Giấy hiệu chuẩn tốt ghi số đọc của máy so với chuẩn ở nhiều điểm, độ không đảm bảo đo, điều kiện môi trường, chuẩn đã dùng và phòng hiệu chuẩn đã được công nhận theo ISO/IEC 17025 hay chưa. Một số giấy ghi cả số "trước điều chỉnh" và "sau điều chỉnh", giúp biết máy đã trôi bao nhiêu trong chu kỳ vừa qua.
- Chu kỳ hiệu chuẩn không cố định: máy dùng nhiều, môi trường khắc nghiệt, hay trôi thì cần hiệu chuẩn dày hơn. Lịch sử các lần hiệu chuẩn là cơ sở để chọn chu kỳ.
Một cảm biến không tự biết mình sai
Có một câu nói vui trong giới kỹ thuật, hay được gọi là "định luật Segal": người có một chiếc đồng hồ thì biết giờ, người có hai chiếc thì không bao giờ chắc. Câu đùa chỉ đúng một nửa. Hai thiết bị không khớp nhau là cảnh báo rằng ít nhất một cái đang sai, điều mà một thiết bị đơn lẻ không bao giờ nói ra. Vì thế hệ thống quan trọng như máy bay dùng ba bộ cảm biến cho cùng một đại lượng để biểu quyết, trạm quan trắc so với trạm lân cận, và các trạm cảm biến bụi tốt đặt hai đầu đo song song.
Với người dùng thường, tinh thần ấy dịch ra rất đơn giản: thỉnh thoảng so máy của mình với một nguồn khác, ghi lại độ lệch, và nghi ngờ khi con số bỗng thay đổi mà không có lý do.
Câu hỏi thường gặp
Hiệu chuẩn thiết bị đo là gì?
Hiệu chuẩn là so số chỉ của thiết bị với một chuẩn đo lường đã biết để xác định nó lệch bao nhiêu, kèm độ không đảm bảo đo. Việc chỉnh máy cho đúng lại là điều chỉnh, thường làm sau hiệu chuẩn.
Vì sao máy đo dùng lâu bị sai?
Cảm biến thay đổi theo thời gian do già hoá vật liệu, nhiễm bẩn, nhiệt độ, độ ẩm, va đập và pin yếu. Hiện tượng sai số thay đổi dần như vậy gọi là trôi số, nên máy đo cần được kiểm tra và hiệu chuẩn định kỳ.
Làm sao tự kiểm tra nhiệt kế ở nhà?
Nhúng đầu dò vào cốc đầy đá bào nhỏ với nước sạch đã khuấy đều, hỗn hợp đá đang tan nằm rất sát 0 °C. Nước sôi là mốc kém tin hơn vì nhiệt độ sôi giảm khi lên cao.
Hiệu chuẩn và kiểm định khác nhau thế nào?
Kiểm định là thủ tục bắt buộc theo luật cho phương tiện đo dùng trong mua bán, an toàn, sức khoẻ, kết luận đạt hay không đạt. Hiệu chuẩn là hoạt động kỹ thuật xác định máy lệch bao nhiêu so với chuẩn, thường tự nguyện theo nhu cầu người dùng.
Độ chính xác và độ phân giải khác nhau ra sao?
Độ phân giải là bước nhỏ nhất máy hiển thị được, còn độ chính xác cho biết số đọc gần giá trị thật tới đâu. Một máy hiện tới phần trăm độ vẫn có thể sai cả độ nếu chưa được hiệu chuẩn.
