Hiệu chuẩn là gì? Các nghiên cứu khoa học về Hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn là gì?

Hiệu chuẩn (tiếng Anh: calibration) là quá trình xác định mối quan hệ giữa giá trị đo được từ một thiết bị và giá trị thực tế đã biết của một đại lượng vật lý. Thiết bị sau khi hiệu chuẩn sẽ cho kết quả đo gần nhất với giá trị đúng, trong giới hạn sai số cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Đây là một bước quan trọng trong kiểm soát chất lượng và đảm bảo độ chính xác của các phép đo.

Quá trình hiệu chuẩn không chỉ bao gồm việc đo lường và so sánh với một chuẩn mà còn có thể bao gồm việc điều chỉnh lại thiết bị nếu sai số vượt ngoài giới hạn cho phép. Trong môi trường công nghiệp và khoa học, việc hiệu chuẩn định kỳ là bắt buộc để duy trì độ chính xác lâu dài. Việc này giúp các tổ chức duy trì khả năng truy xuất nguồn gốc đo lường, một yêu cầu thiết yếu theo chuẩn quốc tế.

Hiệu chuẩn được thực hiện theo các quy trình chuẩn hóa, sử dụng các chuẩn đo lường được xác định bởi các cơ quan như NIST (National Institute of Standards and Technology) hoặc PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Để đảm bảo độ tin cậy, quy trình hiệu chuẩn thường được thực hiện tại các phòng thí nghiệm được công nhận theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025.

Tại sao cần hiệu chuẩn?

Việc hiệu chuẩn thiết bị đo không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là yếu tố sống còn trong nhiều ngành công nghiệp. Sai số trong phép đo, nếu không được phát hiện và điều chỉnh kịp thời, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng về sản phẩm, tài chính và cả con người. Trong y tế, một máy đo sai có thể dẫn đến chẩn đoán sai; trong sản xuất, có thể gây lỗi toàn bộ lô hàng.

Lý do cần hiệu chuẩn bao gồm:

• Đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị đo.
• Tuân thủ các quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế.
• Giảm thiểu rủi ro pháp lý do đo sai dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.
• Đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra ổn định, nhất quán.

Hiệu chuẩn không chỉ giúp phát hiện sai lệch mà còn có thể xác định xu hướng trôi (drift) của thiết bị theo thời gian. Dữ liệu hiệu chuẩn cũng là cơ sở để xây dựng các quy trình kiểm tra nội bộ (internal audit), đánh giá rủi ro và tối ưu hóa bảo trì thiết bị.

Các loại thiết bị cần hiệu chuẩn

Trong thực tế, bất kỳ thiết bị đo lường nào cũng đều cần hiệu chuẩn để đảm bảo độ chính xác. Tuy nhiên, một số loại thiết bị có yêu cầu cao về tần suất và mức độ chính xác sẽ cần hiệu chuẩn nghiêm ngặt hơn. Các thiết bị phổ biến bao gồm:

• Cân điện tử và cân phân tích
• Nhiệt kế, cảm biến nhiệt độ
• Máy đo áp suất, lưu lượng kế
• Máy đo độ dài, thước đo, panme
• Thiết bị đo điện: vôn kế, ampe kế, đồng hồ vạn năng
• Máy quang phổ, thiết bị phân tích hoá học

Bảng dưới đây minh họa một số loại thiết bị và thông số hiệu chuẩn thường gặp:

Việc hiệu chuẩn các thiết bị này không chỉ giúp duy trì hiệu suất hoạt động của chúng mà còn đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc đến các chuẩn đo lường quốc tế, một yêu cầu bắt buộc trong đánh giá hệ thống quản lý chất lượng.

Nguyên lý hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn là quá trình so sánh kết quả đo của một thiết bị với một giá trị tham chiếu chuẩn đã biết, sau đó tính toán sai số và xác định xem thiết bị đó có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hay không. Nếu không, thiết bị có thể được điều chỉnh để đưa sai số về trong giới hạn cho phép hoặc ghi nhận sai số hiệu chuẩn để sử dụng trong phân tích sau này.

Nguyên lý này dựa trên ba bước cơ bản:

1. Thiết lập điều kiện đo ổn định, kiểm soát nhiễu và môi trường.
2. Tiến hành đo bằng thiết bị cần hiệu chuẩn và thiết bị chuẩn (hoặc mẫu chuẩn).
3. Phân tích sai lệch và xác định độ không đảm bảo đo.

Hiệu chuẩn không đồng nghĩa với việc điều chỉnh thiết bị. Trong một số trường hợp, thiết bị vẫn đạt yêu cầu mà không cần điều chỉnh, chỉ cần ghi nhận sai số là đủ. Trong các hệ thống kiểm định nghiêm ngặt, sai số cho phép được định nghĩa rất rõ ràng, ví dụ:

$|\Delta| = |x_{\text{measured}} - x_{\text{reference}}| \leq \text{Tolerated Error}$

Việc áp dụng nguyên lý hiệu chuẩn đúng cách là nền tảng để xây dựng độ tin cậy trong toàn bộ chuỗi đo lường và sản xuất. Các công ty lớn thường duy trì hệ thống quản lý hiệu chuẩn tập trung với phần mềm chuyên dụng để lưu trữ, phân tích và lên lịch hiệu chuẩn cho hàng nghìn thiết bị mỗi năm.

Chu kỳ hiệu chuẩn và độ không đảm bảo đo

Chu kỳ hiệu chuẩn là khoảng thời gian giữa hai lần hiệu chuẩn liên tiếp của một thiết bị đo. Việc xác định chu kỳ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ổn định của thiết bị, mức độ sử dụng, điều kiện môi trường làm việc, yêu cầu từ khách hàng hoặc quy định pháp lý. Các tổ chức thường xây dựng lịch hiệu chuẩn dựa trên dữ liệu theo dõi thực tế và đánh giá rủi ro sai số.

Thông thường, các thiết bị đo quan trọng hoặc có nguy cơ sai lệch cao sẽ có chu kỳ hiệu chuẩn ngắn hơn (3-6 tháng), trong khi các thiết bị ít sử dụng hoặc ít ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra có thể hiệu chuẩn mỗi 12 hoặc 24 tháng. Để xác định chính xác chu kỳ hiệu chuẩn tối ưu, nhiều tổ chức áp dụng mô hình thống kê như phân tích xu hướng sai số (trend analysis), kiểm tra độ lệch chuẩn qua thời gian hoặc biểu đồ kiểm soát (control chart).

Song song với việc xác định sai số, hiệu chuẩn còn yêu cầu tính toán độ không đảm bảo đo (measurement uncertainty). Đây là một đại lượng thể hiện mức độ tin cậy của kết quả đo. Trong hiệu chuẩn, độ không đảm bảo đo chuẩn kết hợp được ký hiệu là $u_c(y)$ và độ không đảm bảo mở rộng là:

$U = k \cdot u_c(y)$, trong đó \(k\) là hệ số phủ (thường dùng \(k = 2\) tương ứng với độ tin cậy 95%)

Ví dụ: nếu độ không đảm bảo chuẩn kết hợp là ±0.5 mg, thì độ không đảm bảo mở rộng là ±1.0 mg (với \(k=2\)).

Bảng dưới đây minh họa một số yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo trong hiệu chuẩn:

Phương pháp hiệu chuẩn phổ biến

Tùy theo loại thiết bị và yêu cầu chính xác, có nhiều phương pháp hiệu chuẩn được áp dụng. Dưới đây là các phương pháp phổ biến:

• Hiệu chuẩn so sánh: Thiết bị cần hiệu chuẩn được so sánh trực tiếp với thiết bị chuẩn có độ chính xác cao hơn.
• Hiệu chuẩn tuyệt đối: Sử dụng các giá trị chuẩn truy xuất được đến hệ đơn vị quốc tế (SI) mà không cần thiết bị tham chiếu.
• Hiệu chuẩn tự động: Áp dụng hệ thống hiệu chuẩn bằng phần mềm và điều khiển tự động để giảm thiểu sai số thao tác và tăng hiệu suất.

Ví dụ trong hiệu chuẩn nhiệt kế điện tử, phương pháp điển hình là ngâm cảm biến vào bể nhiệt ổn định có nhiệt độ được theo dõi bằng chuẩn platinum (Pt100), rồi ghi lại sai số tại nhiều điểm nhiệt độ khác nhau. Dữ liệu thu được sẽ được xử lý để xây dựng đường cong sai số và tính độ không đảm bảo đo.

Trong ngành điện, hiệu chuẩn đồng hồ vạn năng thường sử dụng nguồn tín hiệu hiệu chuẩn dạng sóng chuẩn (true RMS calibrator) để tạo điện áp và dòng điện ổn định. Kết quả đo của thiết bị được đối chiếu và ghi nhận sai số tương ứng với từng thang đo.

Tiêu chuẩn quốc tế và quy định về hiệu chuẩn

Các hoạt động hiệu chuẩn được hướng dẫn và kiểm soát bởi nhiều tổ chức và tiêu chuẩn quốc tế nhằm đảm bảo tính nhất quán và truy xuất nguồn gốc đo lường. Một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất là:

• ISO/IEC 17025:2017 – yêu cầu chung về năng lực của các phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn.
• BIPM – Bureau International des Poids et Mesures – cơ quan điều phối các định nghĩa đơn vị đo quốc tế.
• NIST – National Institute of Standards and Technology – xây dựng chuẩn quốc gia tại Hoa Kỳ.

Các quy định này bao gồm yêu cầu về truy xuất nguồn gốc chuẩn đo, hiệu suất thiết bị chuẩn, khả năng đánh giá độ không đảm bảo, và quy trình nội kiểm (internal quality control). Để đạt được sự công nhận quốc tế, các phòng thí nghiệm hiệu chuẩn thường phải trải qua các vòng đánh giá năng lực độc lập do các tổ chức như A2LA hoặc VILAS thực hiện.

Sự khác biệt giữa hiệu chuẩn và kiểm tra

Mặc dù cùng liên quan đến độ chính xác của thiết bị đo, hiệu chuẩn (calibration) và kiểm tra (verification) là hai quá trình khác nhau cả về mục tiêu và phương pháp. Hiệu chuẩn nhằm xác định và điều chỉnh sai số đo, có liên kết đến chuẩn truy xuất được; trong khi đó, kiểm tra chỉ nhằm xác nhận thiết bị có nằm trong giới hạn chấp nhận được hay không.

Bảng so sánh sau minh họa rõ sự khác biệt:

Sự phân biệt rõ ràng giữa hai khái niệm này là rất quan trọng, đặc biệt trong các ngành có yêu cầu tuân thủ pháp lý hoặc có ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Vai trò của hiệu chuẩn trong chuyển đổi số và công nghiệp 4.0

Trong thời đại công nghiệp 4.0, khi dữ liệu đo lường được tích hợp trực tiếp vào hệ thống điều khiển, giám sát và tối ưu hóa sản xuất, độ chính xác của dữ liệu trở thành yếu tố sống còn. Một cảm biến sai lệch vài phần trăm có thể khiến cả dây chuyền tự động đưa ra quyết định sai lầm, gây thiệt hại hàng trăm nghìn đô.

Hiệu chuẩn định kỳ là cách duy nhất để duy trì độ tin cậy của các cảm biến, thiết bị đo và hệ thống phân tích dữ liệu công nghiệp. Trong các nhà máy thông minh, mỗi thiết bị đều phải có hồ sơ hiệu chuẩn điện tử, được quản lý bởi hệ thống phần mềm tập trung (CMMS, LIMS, v.v.).

Các xu hướng mới như hiệu chuẩn từ xa (remote calibration), giám sát độ lệch thời gian thực (real-time drift monitoring), hoặc tích hợp AI để dự đoán thời điểm hiệu chuẩn tiếp theo đang được triển khai. Những ứng dụng này giúp doanh nghiệp:

• Giảm thiểu thời gian dừng máy do lỗi thiết bị đo
• Nâng cao chất lượng dữ liệu trong hệ thống điều hành
• Tăng khả năng tuân thủ tiêu chuẩn ISO, FDA, IATF

Thông tin thêm có thể tham khảo tại PTB: Metrology for Digital Transformation.