Tiểu luận hệ thống đo lường

MỞ ĐẦU Đo lường việc định lượng độ lớn đối tượng đo Phép đo tập hợp thao tác để xác định giá trị độ lớn đại lượng cần đo Bản chất phép đo việc thiết lập mối quan hệ đại lượng cần đo với đại lượng có tính chất vật lý quy định làm đơn vị đo Ví dụ đo độ dài theo đơn vị mét, đo khối lượng theo đơn vị kilơgam, đo thể tích theo đơn vị mét khối … Thực chất việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo để tìm tỷ lệ chúng Độ lớn đối tượng cần đo biểu diễn trị số tỷ lệ nhận kèm theo đơn vị đo dùng so sánh Đo lường học khoa học phép đo, bao gồm tất khía cạnh lý thuyết thực tiễn có liên quan đến phép đo, với độ xác tất lĩnh vực mà phép đo xuất Có lĩnh vực đo lường học chủ yếu sau: ∼ Đo lường học lý thuyết (hay lý thuyết đo): nghiên cứu vấn đề lý thuyết chung phép đo đại lượng, đơn vị, xử lý kết đo ∼ Đo lường học ứng dụng: nghiên cứu phép đo lĩnh vực định (đo lường công nghiệp, đo lường thiên văn, đo lường y học) ∼ Đo lường học kỹ thuật (hay kỹ thuật đo): nghiên cứu kỹ thuật thực phép đo, tức nghiên cứu phương tiện đo đặc trưng kỹ thuật đo lường phương tiện đo, phân loại phương tiện đo, định mức sai số cấp xác phương tiện đo ∼ Đo lường học pháp quyền: nghiên cứu đơn vị đo, phương pháp đo, phương tiện đo mối liên quan với u cầu có tính chất bắt buộc mặt kỹ thuật pháp luật nhằm mục đích trì đảm bảo chung quan điểm an tồn sai số đo hợp lý Đo lường học Đo lường học lý thuyết Đo lường học ứng dụng Đo lường công nghiệp Đo lường học kỹ thuật Đo lường thiên văn Đo lường học pháp quyền Đo lường y học Một số khái niệm đo lường 1.1.Đại lượng: Đại lượng đo được, gọi tắt đại lượng, thuộc tính tượng, vật thể chất phân biệt mặt định tính xác định mặt định lượng - Khái niệm định tính, chia đại lượng thành loại đại lượng độ dài, khối lượng, thời gian, thể tích, nhiệt độ, áp suất, cường độ dòng điện… - Khái niệm định lượng: loại đại lượng lại biểu nhiều hình thức mức độ cụ thể riêng biệt khác Như chu vi, đường kính hình tròn, chiều dài, chiều rộng bàn, lớn khoảng cách từ trái đất đến mặt trăng, nhỏ bán kính hạt sơ cấp…đều thuộc đại lượng độ dài Lượng gạo chứa bì gạo cụ thể, lượng kim loại dây dẫn điện, lượng xi măng trongmột bao chứa…đều thuộc loại đại lượng “khối lượng” v.v… - Lưu ý : Trong thực tế thuộc tính tượng, vật thể chất ta chưa phát ra, biết tới chưa thực sụ “đo” Đó thuộc tính phân biệt mặt định tính chưa xác định mặt định lượng mùi thơm loại nước hoa, vẻ đẹp gái, tính thẩm mỹ, tính tiện lợi, tuổi thọ cơng trình, sản phẩm v.v…Một nhiều mong muốn làm để số đại lượng mà đo ngày nhiều với độ xác ngày cao 1.2 Đơn vị ( đo lường) Đơn vị đo: đại lượng riêng biệt xác định chấp nhận theo quy ước mà đại lượng khác loại so sánh với để diễn tả độ lớn tương đối chúng theo đại lượng Đơn vị bản: đơn vị mà độ lớn chọn độc lập với đơn vị khác Ví dụ: đơn vị mét (m) để đo độ dài, kilôgam (kg) để khối lượng, giây (s) để đo thời gian …Độ lớn đơn vị lựa chọn cho vừa phải, phù hợp với yêu cầu đo lường đời sống Đơn vị dẫn xuất: đơn vị xây dựng qua đơn vị bản, độ lớn đơn vị dẫn xuất phụ thuộc vào độ lớn đơn vị Ví dụ: đơn vị diện tích “mét vng” (m2), đơn vị vận tốc “mét giây” (m/s) … Giá trị đại lượng: Giá trị đại lượng, hay vắn tắt giá trị, độ lớn đại lượng riêng biệt thường diễn tả đơn vị đo nhân với số Ví dụ độ dài gậy 5,43 m 534 cm; khối lượng vật 0,152 kg 152 g v.v… 1.3 Hệ đơn vị đo lường Tập hợp đơn vị đơn vị dẫn xuất xác định theo nguyên tắc định ứng với hệ đại lượng cho Ví dụ: Hệ mét, Hệ đơn vị quốc tế SI, Hệ đơn vị CGS 1.3.1 Hệ mét Năm 1790, Quốc hội lập hiến Pháp định xây dựng hệ đơn vị đo lường cho toàn giới Họ đặt tên đơn vị đo độ dài “mét” (m) với định nghĩa mét độ dài 1/107 1/4 kinh tuyến đất xem “mét” đơn vị gốc để suy đơn vị khác Vì nên có tên “Hệ mét” Đơn vị đo khối lượng định nghĩa khối lượng 1dm3 nước tinh khiết nhiệt độ 40C gọi kilogam (kg) Thể tích 1kg nước tinh khiết (tức 1dm3) lấy làm đơn vị đo dung tích gọi lít (l) Ngồi mét, kilogam lít, người ta định nghĩa số đơn vị thông dụng khác mét vuông (m 2), hecta (ha), mét khối (m3) Những người xây dựng nên hệ mét đề cách lập ước theo nguyên lý thập phân (đơn vị lớn hay bé đơn vị trước 10 lần) với tiếp đầu ngữ quy định Như tiện lợi cho việc tính tốn Chuẩn gốc thiên nhiên ước bội thập phân hai tư tưởng vĩ đại nguời sáng lập nên Hệ mét Ngồi Hệ mét có ưu điểm thực dụng: đơn vị có cỡ dễ sử dụng đời sống hàng ngày 1.3.2.Một số hệ đơn vị khác + + + + + + + + Hệ CGS Hệ MKgls Hệ MTS Hệ đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng Các đơn vị điện từ quốc tế Hệ MKSA Đại lượng, đơn vị tương đối lôgarit Hệ đơn vị tự nhiên Hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị đo lường pháp định Việt Nam 2.1 Hệ đơn vị quốc tế SI Dựa vào hệ mét, người ta xây dựng nhiều hệ đơn vị khác cho lĩnh vực riêng biệt, tạo nên hỗn loạn đơn vị đo lường toàn giới Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XI họp Paris năm 1960 thông qua Hệ đơn vị quốc tế SI (Système International d’Unités) làm sở thống đo lường giới Các Đại hội cân đo quốc tế sau tiếp tục bổ sung, hồn thiện hệ SI nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao sản xuất khoa học kỹ thuật Hệ SI gồm đơn vị 29 đơn vị dẫn xuất Dựa vào đơn vị đơn vị dẫn xuất xây dựng thêm đơn vị dẫn xuất khác SI cho đại lượng cần thiết cho lĩnh vực cơ, điện tử, quang, nhiệt, âm, hóa lý, vật lý nguyên tử hạt nhân … TT SI base unit Đại lượng (Base quantity) Tên gọi Ký hiệu Độ dài (Length) meter m Khối lượng (Mass) kilogram kg Thời gian (Time) second s Cường độ dòng điện (Electric current) ampere A Nhiệt độ nhiệt động lực (Thermodynamic temperature) kelvin K Lượng vật chất (Amount of substance) mole mol Cường độ sáng (Luminous intensity) candela cd Đến nay, hầu giới công nhận SI lấy làm sở thống đo lường nước đặc điểm bật 2.2 Đơn vị đo lường pháp định Việt Nam Đơn vị đo lường pháp định, gọi tắt đơn vị pháp định, đơn vị đo lường nhà nước công nhận cho phép sử dụng Luật Đo lường (2011) công nhận hệ đơn vị quốc tế (SI) giao Chính phủ quy định đơn vị đo lường pháp định nước ta phù hợp với hệ SI Đơn vị hệ SI: đơn vị Đơn vị dẫn xuất hệ SI Ước bội hệ SI: Thấp phân Cho đến hầu giới công nhận SI lấy làm sở để thống đo lường nước SI có ưu điểm bật sau: Là hệ vạn năng: dựa vào đơn vị dẫn xuất SI mở rộng hệ cho đơn vị dẫn xuất nhiều lĩnh vực khác dễ dàng Là hệ thực dụng: cỡ đơn vị SI nói chung vừa phải, phù hợp với yêu cầu thông thường sản xuất đời sống Là hệ đại: cập nhật với thành tịu khoa học-kỹ thuật đo lường đại, thể trước hết định nghĩa đơn vị Ngày 28/09/2001 Thủ tướng phủ kí nghị định số 65/2001/NĐ-CP ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp nước CHXHCN Việt Nam (Nghị định đơn vị pháp định theo Luật Đo lường chưa ban hành) Hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp nước ta bao gồm 116 đơn vị qui định cụ thể cho 108 đại lượng thuộc lĩnh vực: không gian, thời gian tượng tuần hoàn, cơ, nhiệt, điện từ, ánh sáng xạ điện từ có liên quan, âm, hóa lý, vật lý phân tử, xạ ion hóa Hầu hết đơn vị thiết lập sở hệ SI có số đơn vị ngồi SI dùng theo thông lệ quốc tế Hệ thống văn pháp luật liên quan đến đơn vị chuẩn đơn vị đo bao gồm: Luật đo lường (2011) Nghị định số 65/2001/NĐ-CP ngày 28/09/2001 ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp Chuẩn đo lường nguyên lý thứ bậc chuẩn 3.1 Chuẩn đo lường Chuẩn đo lường ( gọi tắt chuẩn) phương tiện đo, vật đọ, mẫu chuẩn hệ thống đo để thể hiện, trì tái tạo đơn vị hay nhiều giá trị đại lượng để dùng làm mốc so sánh Chú thích : + Tập hợp vật đọ tương tự phương tiện đo sử dụng kết hợp với để tạo thành chuẩn gọi chuẩn nhóm + Tập hợp chuẩn với giá trị chọn cách riêng biệt phối hợp với để cung cấp dãy giá trị giá trị loại gọi chuẩn 3.2 Định nghĩa giải thích định nghĩa đơn vị đại lượng 3.2.1 Độ dài Tên đơn vị: mét Kí hiệu đơn vị: m Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM - Trước năm 1960: mét khoảng cách oC hai trục hai vạch khắc thước chuẩn hợp kim Platin-Iridi đặt Viện cân đo quốc tế (BIPM) Khoảng hai vạch xác định với độ xác 4.10-7 Định nghĩa có số nhược điểm định độ xác, tính dẫn xuất chuẩn Định nghĩa mét năm 1960: mét độ dài 650 763,73 lần bước sóng xạ chân không ứng với dịnh chuyển gữa mức 2P 10 5D2 nguyên tử Krypton86 Mét theo định nghĩa xác định với độ xác 5.10-9 Nhiều “đèn Krypton 86” chế tạo để thể đơn vị mét theo định nghĩa - Định nghĩa mét đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ 17 năm 1983: mét độ dài quãng đường ánh sáng chân không khoảng thời gian 1/299 792 458 giây Trong vận tốc ánh sáng chân khơng CGPM (đại hội lần thứ 15) ấn định năm 1975 c=299 792 458 m/s Việc thể đơn vị mét thực nguồn xạ điện từ có tần số biết đo Hiện nay, laser khí hêli (He) nêon (Ne) ổn định Iốt (I2) bước sóng 633 nm dùng phổ biến để thể đơn vị độ dài mét đạt độ xác 1.10-11 3.2.2 Khối lượng Tên đơn vị: kilơgam Kí hiệu đơn vị: kg Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ năm 1889 Kilôgam khối lượng chuẩn gốc quốc tế kilôgam bảo quản Viện cân đo quốc tế (Paris) - Kilôgam theo định nghĩa xác định với độ xác 1.10-9 - Định nghĩa có số nhược điểm nhiên sử dụng thời điểm 3.2.3 Thời gian Tên đơn vị: giây Kí hiệu đơn vị: s Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ 13 năm 1967 Giây khoảng thời gian 192 631 770 chu kí xạ ứng với dịch chuyển hai mức siêu tinh tế F=4, mF=0 F=3, mF=0 nguyên tử Xesi 133 không bị nhiễu loạn trường - Giây theo định nghĩa xác định với độ xác 3.10-14 3.2.4 Cường độ dòng điện Tên đơn vị: ampe Kí hiệu đơn vị: A Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ năm 1948 Ampe cường độ dòng điện khơng đổi theo thời gian, chạy qua hai dây dẫn thẳng song song, dài vơ hạn, có tiết diện nhỏ khơng đáng kể, đặt chân khơng, cách mét, gây mét dài dây dẫn lực 2.10-7 niutơn - Ampe theo định nghĩa xác định với độ xác 1.10-6 - Hiện ampe thể việc thực tập hợp cơng việc thể vơn, ơm, ốt dựa hiệu ứng Josephson 3.2.5 Nhiệt độ nhiệt động lực Tên đơn vị: kenvin Kí hiệu đơn vị: K Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ 10 năm 1954 Kenvin 1/273.16 nhiệt độ động lực điểm ba nước Nhiệt độ điểm nước xác định với độ xác 1.10-4 3.2.6 Cường độ sáng Tên đơn vị: candela Kí hiệu đơn vị: cd Định nghĩa: Năm 1967: candela cường độ sáng phát từ mặt có diện tích 1/600 000 m vật xạ tồn phần theo phương thẳng góc với mặt nhiệt độ nhiệt độ đông đặc platin áp suất 101 325 Pa Định nghĩa đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ 16 năm 1979: Candela cường độ sáng, theo phương xác định, nguồn xạ đơn sắc có tần số 540.1012 héc có cường độ xạ theo phương 1/683 ốt/stêradian 3.2.7 Lượng chất Tên đơn vị: mol Kí hiệu đơn vị: mol Định nghĩa: đại hội cân đo quốc tế CGPM lần thứ 14 năm 1971 Mol lượng chất hệ chứa số thực thể tổng số nguyên tử 0,012 kg cacbon 12 3.3 Nguyên lý thứ bậc chuẩn Chuẩn đo lường thể vật chất độ lớn đơn vị đo lường theo định nghĩa Về chất, chuẩn thiết bị đo lường, khác thiết bị đo lường thông thường chỗ thiết bị đo không dùng cho phép đo thực tế hàng ngày, dùng để đặc trưng cho đơn vị, để truyền đơn vị đến chuẩn, phương tiện đo có độ xác thấp hơn, dùng để kiểm định, hiệu chuẩn, đánh giá thiết bị đo phép đo, để khắc độ thiết bị đo chế tạo Hệ thống chuẩn đo lường sở kỹ thuật quan trọng để đảm bảo tính thống độ xác cần thiết phép đo phạm vi quốc gia quốc tế Các chuẩn đo lường tuân theo nguyên tắc cấu trúc hệ thống thứ bậc: chuẩn phân chia thành nhiều bậc khác nhau, chuẩn mức phải dẫn xuất từ chuẩn mức Nguyên tắc đảm bảo tính thống việc đo lường phạm vi quốc gia tồn giới Có thể phân loại chuẩn theo độ xác mục đích sử dụng Căn vào độ xác phân loại chuẩn thành chuẩn đầu, chuản thứ, chuẩn bậc I, bậc II Chuẩn đầu: Là chuẩn định hay thừa nhận rộng rãi có chất lượng mặt đo lường cao giá trị chấp nhận khơng dựa vào chuẩn khác đại lượng Khái niệm chuẩn đầu dùng đại lượng đại lượng dẫn xuất Chuẩn thứ: Là chuẩn mà giá trị xác định cách so sánh với chuẩn đầu đại lượng Chuẩn bậc I: Là chuẩn mà giá trị xác định cách so sánh với chuẩn thứ đại lượng Chuẩn bậc II: Là chuẩn mà giá trị xác định cách so sánh với chuẩn Bậc I đại lượng Nhận thấy Độ xác chuẩn giảm dần từ chuẩn đầu đến chuẩn thứ, chuẩn bậc I, chuẩn bậc II sử dụng sơ đồ kim tự tháp để minh hoạ cách phân loại chuẩn nêu Số bậc n tuỳ thuộc yêu cầu lĩnh vực đo Lĩnh vực độ dài có chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I,II V Chuẩn đầu Chuẩn Thứ Chuẩn bậc I Chuẩn bậc II Chuẩn bậc n Sai số Chuẩn quốc tế: Là chuẩn hiệp định quốc tế để làm sở ấn định giá trị cho chuẩn khác đại lượng có liên quan phạm vi quốc tế Chuẩn quốc gia: Là chuẩn định có tính chất quốc gia công nhận để sở ấn định giá trị cho chuẩn khác có liên quan nước Chuẩn chính: Là chuẩn thường có chất lượng cao mặt đo lường có địa phương tổ chức xác định mà phép đo dẫn xuất từ chuẩn Chuẩn công tác: Là chuẩn dùng thường xuyên để hiệu chuẩn kiểm tra vật đọ, phương tiện mẫu chuẩn Chuẩn công tác thường xuyên hiệu chuẩn cách so sánh với chuẩn Truyền đạt xác độ lớn đơn vị đo từ chuẩn cao đến phương tiện đo thông dụng biện pháp để đảm bảo tính thống nhất, độ xác cần thiết tất phép đo nước tồn giới Trong hiệu chuẩn mắt xích quan q trình gọi dẫn xuất chuẩn Hiệu chuẩn phương tiện đo 4.1 Khái niệm 4.1.1 Hiệu chuẩn (calibration) Hiệu chuẩn tập hợp thao tác điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giá trị đại lượng phương tiện đo, hệ thống đo giá trị thể vật độ mẫu chuẩn giá trị tương ứng thể chuẩn Kết hiệu chuẩn cho phép xác định giá trị đại lượng đo theo số xác định hiệu số Hiệu chuẩn xác định tính chất đo lường khác, ví dụ, tác động đại lượng ảnh hưởng đến phương tiện đo v.v Kết hiệu chuẩn ghi tài liệu thường gọi giấy chứng nhận hiệu chuẩn thông báo hiệu chuẩn Hiệu chuẩn hoạt động kỹ thuật cần thiết sở sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu để biết tình trạng phương tiện đo trình sử dụng, bảo quản chúng, để từ có biện pháp xử lý, hiệu chỉnh kịp thời phù hợp với mục tiêu sản xuất, kinh doanh, nghiên cứu Như vậy, xét mặt kỹ thuật, nội dung việc hiệu chuẩn việc so sánh phương tiện đo với chuẩn để đánh giá sai số đặc trưng kỹ thuật, đo lường khác Một phép hiệu chuẩn (hoặc số) chuẩn, phương tiện đo độ phải có điều kiện sau: 10 - Phải có đủ chuẩn có cấp xác cao cấp xác chuẩn phương tiện đo cần kiểm - Phải có thiết bị đo có tiêu kỹ thuật đo lường phù hợp - Phải đảm bảo điều kiện môi trường theo yêu cầu đề văn kỹ thuật đo lường phù hợp - Phải có phương pháp hiệu chuẩn phù hợp qui định Văn kỹ thuật đo lường cụ thể - Phải có cán kỹ thuật đào tạo, có đủ khả tiến hành kiểm sốt q trình hiệu chuẩn Mỗi cấp xác chuẩn, phương tiện đo khác phải đảm bảo điều kiện mức độ khắt khe khác 4.1.2 Tính liên kết chuẩn Một đặc trưng quan trọng việc hiệu chuẩn phải đảm bảo tính liên kết chuẩn (Traceability) Tính liên kết chuẩn định nghĩa (TCVN 6165 : 1996) tính chất kết đo giá trị chuẩn mà nhờ liên hệ tới chuẩn định, thường chuẩn quốc gia hay chuẩn quốc tế, thông qua chuỗi so sánh không gián đoạn với độ không đảm bảo xác định Chuỗi so sánh không gián đoạn gọi chuỗi liên kết chuẩn Phép hiệu chuẩn có tính liên kết chuẩn (a traceable calibration) đạt được, phương tiện đo chuẩn hệ thống thứ bậc từ thấp đến cao nhất, mở rộng tới chuẩn quốc gia chuẩn quốc tế, hiệu chuẩn cách thích hợp Các kết hiệu chuẩn thể thành tài liệu đủ để cung cấp thông tin cần thiết tất phép hiệu chuẩn thực cách đắn phép hiệu chuẩn mắt xích liên tục chuỗi so sánh khơng gián đoạn gọi chuỗi liên kết chuẩn nói Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đồng thời cho ta hình ảnh cụ thể tính liên kết chuẩn Các phương tiện đo chuẩn đặt vào mắt xích tương ứng chuỗi liên kết chuẩn Kết cuối chúng nối (so sánh) với chuẩn quốc gia trực tiếp hay gián tiếp Có thể hình dung tính liên kết chuẩn dòng họ Chuẩn đo lường quốc gia "ơng tổ" dòng họ phép đo phương tiện đo loại đại lượng tương ứng nước 4.2 Độ không đảm bảo đo 4.2.1 Khái niệm định nghĩa Mục đích phép đo (hiệu chuẩn) để xác định giá trị đại lượng cần đo việc xác định đặc trưng độ xác theo yêu cầu phép đo, độ xác đựoc hiểu mức độ gần kết đo giá trị thực đại lượng Sai số phép đo bao gồm thành phần sai số ngẫu nhiên thành phần sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên phép đo kết phép đo trừ kết trung bình từ số 11 vơ hạn phép đo đại lượng điều kện lặp lại Nó sai số phép đo trừ sai số hệ thống Vì thực số hữu hạn phép đo , nên xác định ước lượng sai số ngẫu nhiên Khơng thể thực việc hiệu sai số ngẫu nhiên, giảm cách tăng số lượng lần đo lặp lại n Sai số hệ thống phép đo kết trung bình từ số vơ hạn phép đo đại lượng điều kiện lặp lại trừ giá trị thực đại lượng Nó sai số phép đo trừ sai số ngẫu nhiên Giống giá trị thực, sai số hệ thống ngun nhân xuất khơng thể biết cách hồn tồn Có thể làm giảm sai số hệ thống cách sử dụng số hiệu hệ số hiệu Bản thân số hiệu hệ số hiệu ước lượng giá trị thực nó, chúng xác định với khả cao nhận thức, khoa học để đưa số hiệu Như giá trị đại lượng cần đo chưa biết cách hồn tồn Độ khơng đảm bảo phép đo phản ánh thiếu thông tin xác giá trị đại lượng đo Kết phép đo sau hiệu ẩnh hưởng hệ thống biết giá trị ước lượng đại lượng cần đo ảnh hưởng tác động ngẫu nhiên không đầy đủ, khơng hồn hảo việc hiệu ảnh hưởng hệ thống gây Định nghĩa:Độ không đảm bảo phép đo (hiệu chuẩn) hay gọi độ không đảm bảo đo độ không đảm bảo đại lượng không âm gắn với kết phép đo, đặc trưng cho phân tán giá trị quy cho đại lượng cách hợp lý Thơng số độ lệch chuẩn; bội số độ lệch chuẩn nửa độ rộng khoảng có mức tin cậy (xác xuất tin cậy ) xác định Độ không đảm bảo phép đo thường gồm nhiều thành phần Các thành phần đặc trưng qua độ lệch chuẩn rút từ phân bố thông kê, từ thông số có sẵn từ phán đốn Kết phép đo nêu định nghiã độ không đảm bảo đo đươc hiểu ươc lượng tốt giá trị đại lượng đo tất thành phần độ không đảm bảo, bao gồm thành phần ảnh hưởng hệ thống thành phần gắn với hiệu gắn với chuẩn đo lường dùng làm mốc so sánh gây Độ không đảm bảo đo thể thực tế: với đại lượng đo kết đo cho khơng phải có giá trị mà có vơ số giá trị phân bố xung quanh kết đo đó, giá trị phù hợp với tất quan trắc, hiểu biết giới tự nhiên quy cho giá trị đại lượng đo với xác xuất (mức độ ) tin cậy 4.2.2 Thành phần độ khơng đảm bảo đo Hướng dẫn trình bầy độ không đảm bảo cuả phép đo tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO) với Viện cân đo quốc tế (BIPM), Tổ chức đo lường hợp pháp quốc tế (OIML) công bố năm 1993 định nghĩa phân loại độ không đảm bảo đo sau: Độ không đảm bảo chuẩn (u) : độ không đảm bảo kết phép đo thể độ lệch chuẩn Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp (u c): Là độ không đảm bảo chuẩn phép đo kết nhận từ giá trị số đại lượng khác Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp bậc hai tổng phương sai hiệp biến đại lượng nói trên, 12 phương sai hiệp biến lấy trọng số tuỳ theo kết phép đo biến đổi phụ thuộc vào thay đổi đại lượng Độ không đảm bảo đo mở rộng(U): đại lượng xác định khoảng bao quanh kết đo mà hy vọng phủ phần lớn phân bố giá trị quy cho đại lượng đo cách hợp lý U = k.uc Với k hệ số phủ thường nằm khoảng - Về cách đánh giá độ không đảm bảo đo ISO phân Đánh giá loại A (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ khơng đảm bảo cách phân tích thống kê loạt kết quan trắc Đánh giá loại B (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ không đảm bảobằng phương pháp khác với phương pháp sử dụng phân tích thống kê loạt kết quan trắc Có thể hiểu theo cách khác + Thành phần độ không đảm bảo gây ảnh hưởng ngẫu nhiên + Thành phần độ không đảm bảo gây ảnh hưởng hệ thống 4.3 Đánh giá độ khơng đảm bảo đo 4.3.1 Mơ hình đo Thơng thường đại lượng đo đầu Y thường xác định từ n đại lượng vào X 1, X2 Xn theo hàm f: Y = f(X1, X2 Xn) (1) Chính đại lượng vào X1, X2 Xn lại xem đại lượng đo phụ thuộc vào đại lượng khác, bao gồm số hiệu hệ số hiệu ảnh hưởng hệ thống dẫn đến mối quan hệ làm phức tạp f Hàm f chứa đại lượng đóng góp thành phần đáng kể độ khơng đảm bảo vào kết đo, bao gồm tất số hiệu hệ số hiệu Nếu hàm f khơng mơ phép đo tới phạm vi gần với độ xác kết đo, đại lượng vào phụ thêm phải đưa vào hàm f để khắc phục không đầy đủ Ước lượng đại lượng đo Y, ký hiệu y, nhận từ biểu thức (1) cách sử dụng ước lượng vào x 1, x2 xn cho giá trị N đại lượng vào X 1, X2 Xn Ước lượng đầu y, kết phép đo cho bởi: y = f(x1, x2 xN) (2) Độ lệch chuẩn ước lượng gắn với ước lượng đầu y nhận cách kết hợp cách thích hợp độ lệch chuẩn ước lượng (được gọi độ không đảm bảo chuẩn ký hiệu u(xi) ước lượng đầu vào xi 13 Mỗi độ không đảm bảo chuẩn u(x i) nhận từ đánh giá loại A loại B Đánh giá loại A thành phần không đảm bảo chuẩn dựa phân bố tần số đánh giá loại B dựa phân bố ưu tiên 4.3.2 Đánh giá độ không đảm bảo đo 4.3.2.1 Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A Từ dẫy kết đo độc lập lặp lại q k ta tính ước lượng kỳ vọng µ q tức giá trị trung bình: Ước lượng phương sai δ2 hàm phân bố xác suất q: Độ lệch chuẩn thực nghiệm (độ lệch chuẩn) đặc trưng cho tản mạn kết đo xung quanh giá trị trung bình q : Độ khơng đảm bảo chuẩn loại A đại lượng xác định từ n lần quan trắc độc lập với bậc tự υ; u(q) = s (q ) υi = n-1 4.3.2.2 Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại B: Đánh giá loại B độ không đảm bảo chuẩn thực cách khác với phân tích thống kê dãy quan trắc Nó thường dựa phán đoán khoa học cách sử dụng tất thơng tin liên quan có, bao gồm: * Các số liệu đo trước đây; * Các kinh nghiệm hiểu biết cách vận hành tính chất phương tiện vật liệu có liên quan; * Quy định kỹ thuật nhà sản xuất; * Số liệu cho báo cáo hiệu chuẩn báo cáo khác; * Độ không đảm bảo gắn với số liệu tham khảo lấy từ tài liệu tra cứu 14 Khi xem xét độ không đảm bảo loại B cần phải chuyển đổi độ không đảm bảo xem xét theo mục thành độ không đảm bảo chuẩn theo cách khác Trường hợp độ không đảm bảo giá trị q lấy từ giấy chứng nhận hiệu chuẩn từ tài liệu khác, độ khơng đảm bảo xác định bội số độ lệch chuẩn, độ khơng đảm bảo chuẩn u(q) chuyển đổi sang độ không đảm bảo chuẩn cách chia độ không đảm bảo biết cho số nhân Trường hợp độ không đảm bảo giá trị q biết thông qua phân bố xác xuất độ tính độ khơng đảm bảo chuẩn q cách chia độ không đảm bảo biết cho hệ số, hệ số phụ thuốc vào phân bố xác xuất Phân bố xác xuất hình chữ nhật: Sử dụng trường hợp độ khơng đảm bảo cho giới hạn cực đại tất giá trị có xác suất Độ độ khơng đảm bảo chuẩn tính cách chia nửa độ rộng khoảng (ký hiệu a) cho a a -a µ− +a a a µ+ Phân bố xác xuất hình chữ nhật Phân bố xác suất hình tam giác: Phân bố tam giác mơ hình tốt biết hầu hết giá trị nằm gần tâm phân bố Độ không đảm bảo chuẩn tính cách chia nửa độ rộng khoảng (ký hiệu a) cho a -a µ− a a 15 +a µ+ a Phân bố xác suất hình thang Phân bố xác xuất chuẩn (Phân bố xác xuất Gauss): Dạng phân bố chấp nhận cho độ không đảm bảo để định nghĩa khoảng tin cậy có mức tin cậy cho thường 95% 99% Độ không đảm bảo chuẩn nhận cách chia độ khơng đảm bảo trích dẫn cho hệ số tương ứng với phân bố 4.3.2.3 Đánh giá đô không đảm bảo chuẩn tổng hợp uc Độ không đảm bảo tổng hợp uc(y) bậc phương sai tổng hợp theo công thức:  ∂f u ( y ) = ∑  i =1  ∂x i c N   u ( xi )  (6) ∂f Đạo hàm riêng ∂xi gọi hệ số nhạy Chúng mô tả ước lượng đầu y thay đổi giá trị ước lượng đầu vào x 1, x2, xN biến đổi Phương sai tổng hợp uc ( y ) xem tổng thành phần Các thành phần đại diện cho phương sai ước lượng gắn với ước lượng đầu y tính từ phương sai ước lượng gắn với ước lượng đầu vào xi Ký hiệu ci = ∂f ∂xi , viết công thức sau: N N i =1 i =1 u c2 ( y ) = ∑ (ci u ( xi )) = ∑ u i2 ( y ) (7) với ui ( y ) = ci u ( xi ) ci = ∂f ∂xi ∂f Đơi khi, hệ số nhạy ∂xi xác định thực nghiệm Như trường hợp này, hiểu biết hàm f rút lại khai triển chuỗi Taylor bậc có tính p1 p pN chất thực nghiệm dựa sở hệ số nhạy đo.Nếu Y = cx1 x2 xN với số mũ pi số dương âm, biểu thức phương sai tổng hợp diễn tả là: N  pi u ( xi )   uc ( y )  =     ∑  y  xi  i =1  16 (8) Nếu pi +1 -1, biểu thức (8) trở thành biểu thức (9) Nó cho biết trường hợp đặc biệt này, phương sai tổng hợp tương đối gắn với ước lượng y đơn giản tổng phương sai tương đối ước lượng gắn với ước lượng vào xi  uc ( y )    =  y   u ( xi )    ∑ i =  xi  N (9) Trường hợp hai nhiều đại lượng đầu vào phụ thuộc nhau, diễn tả thích hợp cho phương sai tổng hợp uc ( y ) gắn với kết phép đo là: N ∂f ∂f u ( xi , x j ) j = ∂xi ∂x j N uc2 ( y ) = ∑ ∑ i =1 N −1 N  ∂f  ∂f ∂f u ( y ) = ∑   u ( xi ) + ∑ ∑ ( xi , x j ) i =  ∂xi  i = j = i +1 ∂xi ∂x j c (10) N (11) Trong u(xi, xj) hiệp biến ước lượng xi xj Sự phụ thuộc lẫn hai biến số đặc trưng hệ số tương quan chúng: u( xi , x j ) r ( xi , x j ) = u ( xi ) u ( x j ) (12) N N −1 N uc2 ( y ) = ∑ ci2 u2 ( xi ) + ∑ i =1 ∑ c c u ( x ) u( x ) r ( x , x ) i j i j i j i = j = i +1 Ta có : (13) Sự tương quan xảy phép đo sử dụng nhiều lần Tuy nhiên, ảnh hưởng đến độ khơng đảm bảo tổng hợp dương, có nghĩa độ khơng đảm bảo tăng lên, âm làm giảm độ không đảm bảo 4.3.2.4 Độ không đảm bảo đo mở rộng Mặc dù độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp u c(y) thường dùng để diễn tả độ không đảm bảo kết đo, với số việc sử dụng kết đo có tính chất thương mại, cơng nghiệp có tính chất quy định (ví dụ liên quan đến sức khoẻ an tồn), thường đòi hỏi có "thước đo" độ không đảm bảo để xác định khoảng xung quanh kết đo y mà khẳng định cách tự tin giá trị đại lượng đo Y nằm khoảng Thước đo độ không đảm bảo phù hợp với yêu cầu gọi "độ không đảm bảo mở rộng", ký hiệu U nhận cách nhân u c(y) với hệ số phủ k Tức U = kuc(y) khẳng định cách tự tin (y − U ) ≤ Y ≤ (y + U ) 17 4.3.3 Các nguồn độ không đảm bảo đo Trong thực tế, có nhiều nguồn gây độ không đảm bảo phép đo bao gồm: a) Định nghĩa không đầy đủ phép đo ; b) Sự thực khơng hồn hảo định nghĩa phép đo; c) Sự khơng hồn thiện việc lấy mẫu - mẫu đo khơng đại diện cho phép đo xác định; d) Sự thiếu hiểu biết ảnh hưởng điều kiện môi trường phép đo thực phép đo điều kiện mơi trường khơng hồn hảo; e) Do ảnh hưởng việc đọc kết đo việc đọc dụng cụ tương tự; f) Do ảnh độ phân giải, độ nhậy phương tiện đo; g) Sự khơng xác giá trị tiêu chuẩn đo lường tài liệu tham khảo; h) Sự khơng xác giá trị số thông số khác thu từ nguồn bên sử dụng thuật toán giảm liệu; i) Do làm tròn số; j) Độ lặp lại phép đo Các nguồn không thiết phải độc lập, số nguồn a) i) đóng góp vào nguồn j) Tất nhiên, hiệu ứng không công nhận hệ thống khơng đưa vào tài khoản việc đánh giá không chắn kết đo lường góp phần lỗi Chuẩn, phương tiện đo Độ xác Giá trị độ chia Độ lặp lại Điều kiện Môi trường Nhiệt đô Độ ẩm … Kết đo Phương pháp đo Sai số sơ đồ Định nghĩa khơng hồn hảo phép đo Lấy mẫu Thực phép đo … Người thực Đọc kết Mức độ thành thạo …… 18 4.4 Một số nguồn độ không đảm bảo đo đo lường độ dài 4.4.1 Chuẩn, phương tiện đo 4.4.1.1 Độ xác Khi thực phép đo phép hiệu chuẩn thiết bị đo phải đề cập đến độ xác chuẩn thiết bị đo sử dụng chuẩn, thiết bị đo có sai số, đo sử dụng cần phải biết độ xác Độ xác chuẩn, thiết bị đo lấy theo giấy chứng nhận hiệu chuẩn chuẩn, thiết bị đo đặc trưng thiết bị, cấp xác … + Đối với mẫu song phẳng chuẩn vào giấy chưng nhận hiệu chuẩn chúng, biết sai lệch miếng mẫu với độ không đảm bảo đo U theo giấy chứng nhận hiệu chuẩn + Đối với thiết bị đo độ dài cần phải biết độ xác thiết bị 4.4.1.2 Độ ổn định chuẩn, thiết bị đo Đối với chuẩn sử dụng cần phải biết độ ổn định chuẩn chu kỳ hiệu chuẩn chúng ( Long Term Reproducibility) Độ ổn định chuẩn xác định thông qua sổ tay kỹ thuật qua q trình khảo sát phòng thí nghiệm 4.4.2 Ảnh hưởng điều kiện môi trường Trong đo lường độ dài điều kiện môi trường ảnh hưởng nhiều đến kết phép đo Thông số môi trường quy định phép đo/hiệu chuẩn độ dài: + Nhiệt độ : 20o C + Độ ẩm: 50%RH + áp suất khí quyển: 760 mmHg + Nồng độ khí CO2 : 3% Sai số xuất chênh lệch nhiệt độ so với 20oC cần đ−ợc tính tốn xử lý kết đo theo công thức: ∆L = L.α (∆t) (14) Trong đó: + ∆L: Sai lệch nhiệt độ đo khác với nhiệt độ chuẩn 20oC + L: chiều dài đoạn đo + α: hệ số dãn nở nhiệt vật liệu + ∆t: chênh lệch nhiệt độ so với 20oC Trong phép đo so sánh Độ chênh lệch nhiệt độ so với 20oC tác động vào chiều dài vật đo mẫu kích thước theo cơng thức: Lp = Lp0 [1 +αp(tp-t0)] LM = LM0 [1+ αM(tM-t0)] 19 ∆L = Lp - LM Trong : + Lp(Lp0) : chiều dài vật đo nhiệt độ (và t0= 20oC) + LM(LM0): chiều dài mẫu kích thước nhiệt độ tM(tại t0= 20oC) + αp(αM): Hệ số dãn nở mẫu kích thước (và vật đo) + Tại 20oC chênh lệch chiều dài ∆L0 vật đo mẫu kích thước ∆L0 = Lpo - LMO Sai số ảnh hưởng nhiệt độ xuất khi: + Vật đo mẫu kích thước (dụng cụ đo) hệ số dãn nở nhiệt không nhiệt độ đo + Vật đo mẫu kích thước (dụng cụ đo) khơng hệ số dãn nở nhiệt, dù có nhiệt độ đo + Vật đo mẫu kích thước (dụng cụ đo) khơng hệ số dãn nở nhiệt không nhiệt độ đo Để tránh sai số đo ảnh hưởng nhiệt độ cần tiến hành phép đo phòng đo nhiệt độ 20oC Trong phép đo dùng bước sóng chuẩn làm chuẩn chiều dài ngồi ảnh hưởng nhiệt độ phải lưu ý tới ảnh hưởng áp suất khí , độ ẩm khơng khí, nồng độ khí CO2 mơi trường 4.4.3 Ảnh hưởng lực đo Đối với phép đo không tiếp xúc lực đo khơng nên khơng ảnh hưởng đến kích thước cần đo Song phép đo tiếp xúc tồn lực đo định để đẩy lớp không khí vị trí tiếp xúc thắng lực cản ma sát dụng cụ đo Lực đo nhiều ảnh hưởng đến phép đo gây tượng biến dạng dẻo nơi tiếp xúc với vật đo Độ biến dạng dẻo vật đo thép lực đo gây nên tính theo định luật Hooke, thép: Trong đó: + F: Lực đo [N] + L: Chiều dài đoạn đo [mm] + Q: Tiết diện vật đo [mm2] Giá trị độ biến dạng dẻo vật đo phụ thuộc vào loại bề mặt tiếp xúc, độ nhám bề măt, mô đun đàn hồi Trong thực tế, trường hợp hay gặp độ biến dạng dẻo lực đo gây tính theo cơng thức Hertz 20 Dạng tiếp xúc Trị số biến dạng Bi hai mặt phẳng a= 0,829 Bi với bi a= 0,415 F ( Trụ hai măt phẳng a= 0,092 F2 D 1 + ) D1 D F3 l l D Trong đó: + F : lực đo hay trọng lực vật [N] + D;D1;D2: Đường kính bi hay trụ trơn [mm] + l: chiều dài trụ [mm] ảnh hưởng độ biến dạng dẻo có giá trị đáng kể phép đo so sánh vật đo dạng trụ hay bi có đường kính nhỏ với mẫu kích thước có mặt đo phẳng mẫu song phẳng Giá trị sai số hệ thống độ biến dạng dẻo gây ln ln có trị số âm , nghĩa giá trị đo nhỏ so với giá trị thực vật đo 4.4.4 Sai số gá đặt thiết bị đo, sai số sơ đồ + Sai số Abbe + Sai số cosin 21 22 + Sai số gá đặt Theo thuyết biến dạng đàn hồi vật liệu, độ co khoảng cách hai mặt đầu hay hai vạch chia vật đo có giá trị nhỏ vật đo đặt hai điểm tựa thích hợp (AIRY Points) A = 0,5577l Trường hợp vạch chia nằm hòa tiết diện đo thước vạch điểm đặt gọi điểm tựạ mặt phẳng trung cấp xác cao, Besseel A= 0,559l Khi vật đo đặt thẳng đứng, chiều dài co lại trọng lực riêng nó, song độ co khơng đáng kể Còn vật đo nằm mặt phẳng, độ co khơng thể xác định điển tựa mặt phẳng Trong thực tế, ảnh ưởng vị trí điểm tựa tác động nhiều đến phép đo có sử dụng thước vạch dài hay mẫu song phẳng cỡ lớn 4.4.5 Sai số vật đo gây Sai số bao gôm ảnh hưởng độ phẳng, độ song , độ tròn, lệch pha phản xạ… tùy trường hợp cụ thể để dưa định xác 23 Tính tốn độ không đảm bảo đo phép đo độ nhám chi tiết lõi khuôn đúc áp lực máy đo độ nhám SJ301 hãng Mitutoyo môn Cơ khí xác quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội 5.1 Nhấp nhô bề mặt nhám (phân biệt nhám, song sai số hình dáng hình học) 5.2 Một số tiêu đánh giá độ nhám Sai lệch trung bình số học Ra Sai lệch trung bình đo 10 điểm Rz Một số tiêu khác 5.3 Tính tốn độ khơng đảm bảo đo độ nhám 24 Tài liệu tham khảo [1] Trần Bảo , Trần Quang Uy - Cơ sở đo lường học , Tổng cục Tiêu chuẩn -Đo lường – Chất lượng 1998 [2] Evaluation of measurementdata- Guide to the expression of uncertainty in measurement [3] Gauge blocks ISO 3650 –1978 ME [4] Uncertainty And Dimensional Calibration – Journal of the National Institute of Standards and technology Volume 102, Number 6, 1997 25 .. .Đo lường học Đo lường học lý thuyết Đo lường học ứng dụng Đo lường công nghiệp Đo lường học kỹ thuật Đo lường thiên văn Đo lường học pháp quyền Đo lường y học Một số khái niệm đo lường. .. 28/09/2001 ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp Chuẩn đo lường nguyên lý thứ bậc chuẩn 3.1 Chuẩn đo lường Chuẩn đo lường ( gọi tắt chuẩn) phương tiện đo, vật đọ, mẫu chuẩn hệ thống đo để thể hiện,... sở thống đo lường nước đặc điểm bật 2.2 Đơn vị đo lường pháp định Việt Nam Đơn vị đo lường pháp định, gọi tắt đơn vị pháp định, đơn vị đo lường nhà nước công nhận cho phép sử dụng Luật Đo lường