Làm chủ phép đo: Hướng dẫn tối ưu về lỗi tuyệt đối, tương đối và toàn thang đo (%FS)

Bạn đã bao giờ nhìn vào bảng thông số kỹ thuật choaáp lực máy phát,achảymét, hoặcacảm biến nhiệt độVàBạn đã thấy một mục như "Độ chính xác: ±0,5% FS" chưa? Đây là một thông số kỹ thuật phổ biến, nhưng nó thực sự có ý nghĩa gì đối với dữ liệu bạn đang thu thập? Liệu nó có nghĩa là mọi giá trị đo đều nằm trong khoảng 0,5% giá trị thực không? Như đã thấy, câu trả lời phức tạp hơn một chút, và việc hiểu rõ sự phức tạp này là rất quan trọng đối với bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất và đo lường khoa học.

Sai số là một phần không thể tránh khỏi của thế giới vật lý. Không có thiết bị nào là hoàn hảo. Điều quan trọng là phải hiểu bản chất của sai số, định lượng nó và đảm bảo nó nằm trong giới hạn chấp nhận được cho ứng dụng cụ thể của bạn. Hướng dẫn này sẽ làm rõ các khái niệm cốt lõi.ofđo lườnglỗi. Nó bắt đầu bằng các định nghĩa cơ bản và sau đó mở rộng thành các ví dụ thực tế và các chủ đề liên quan quan trọng, biến bạn từ người chỉ đọc thông số kỹ thuật thành người thực sự hiểu chúng.

 

Sai số đo lường là gì?

Ở trung tâm của nó,sai số đo lường là sự khác biệt giữa số lượng được đo và giá trị thực tế của nó. Hãy nghĩ về nó như khoảng cách giữa thế giới mà công cụ của bạn nhìn thấy và thế giới thực tế.

Sai số = Giá trị đo được – Giá trị thực.

"Giá trị thực" là một khái niệm lý thuyết. Trên thực tế, giá trị thực tuyệt đối không bao giờ có thể được biết một cách hoàn toàn chắc chắn. Thay vào đó, người ta sử dụng một giá trị thực thông thường. Đây là giá trị do một chuẩn đo lường hoặc thiết bị tham chiếu cung cấp, có độ chính xác cao hơn đáng kể (thường chính xác hơn từ 4 đến 10 lần) so với thiết bị đang được kiểm tra. Ví dụ, khi hiệu chuẩn mộtcầm tayáp lực thước đo, “giá trị thực thông thường” sẽ có nguồn gốc từ độ chính xác cao,cấp phòng thí nghiệmáp lực máy hiệu chuẩn.

Hiểu được phương trình đơn giản này là bước đầu tiên, nhưng nó không nói lên toàn bộ câu chuyện. Sai số 1 milimét không đáng kể khi đo chiều dài của một ống dài 100 mét, nhưng lại là một sai số thảm khốc khi gia công piston cho động cơ. Để có được bức tranh toàn cảnh, chúng ta cần biểu diễn sai số này theo những cách có ý nghĩa hơn. Đây là lúc các sai số tuyệt đối, tương đối và tham chiếu phát huy tác dụng.

Tổng hợp ba lỗi đo lường phổ biến

Chúng ta hãy phân tích ba cách chính để định lượng và truyền đạt lỗi đo lường.

1. Sai số tuyệt đối: Độ lệch thô

Sai số tuyệt đối là dạng sai số đơn giản và trực tiếp nhất. Theo định nghĩa trong tài liệu gốc, đây là sự chênh lệch trực tiếp giữa giá trị đo được và giá trị thực, được thể hiện bằng đơn vị đo.

Công thức:

Ví dụ:

Bạn đang đo lưu lượng trong một đường ống bằngĐÚNG VẬYlưu lượng dòng chảyof50 m³/h, vàcủa bạnlưu lượng kếđọc50,5 m³/h, do đó sai số tuyệt đối là 50,5 – 50 = +0,5 m³/h.

Bây giờ, hãy tưởng tượng bạn đang đo một quy trình khác với lưu lượng thực tế là 500 m³/h, và lưu lượng kế của bạn hiển thị 500,5 m³/h. Sai số tuyệt đối vẫn là +0,5 m³/h.

Khi nào thì nó hữu ích? Sai số tuyệt đối là yếu tố thiết yếu trong quá trình hiệu chuẩn và thử nghiệm. Giấy chứng nhận hiệu chuẩn thường liệt kê độ lệch tuyệt đối tại các điểm thử nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, như ví dụ cho thấy, nó thiếu ngữ cảnh. Sai số tuyệt đối +0,5 m³/giờ có vẻ quan trọng hơn nhiều đối với lưu lượng nhỏ hơn so với lưu lượng lớn hơn. Để hiểu được ý nghĩa đó, chúng ta cần sai số tương đối.

2. Lỗi tương đối: Lỗi trong ngữ cảnh

Sai số tương đối cung cấp ngữ cảnh mà sai số tuyệt đối không có. Nó biểu thị sai số dưới dạng phân số hoặc phần trăm của giá trị thực tế được đo. Điều này cho bạn biết sai số lớn đến mức nào so với độ lớn của phép đo.

Công thức:

Ví dụ:

Chúng ta hãy xem lại ví dụ của chúng ta:

Đối với lưu lượng 50 m³/h: Lỗi tương đối = (0,5 m³/h / 50 m³/h) × 100% = 1%

Đối với lưu lượng 500 m³/h: Sai số tương đối = (0,5 m³/h / 500 m³/h) × 100% = 0,1%

Đột nhiên, sự khác biệt trở nên rõ ràng hơn nhiều. Mặc dù sai số tuyệt đối là như nhau trong cả hai trường hợp, nhưng sai số tương đối cho thấy phép đo kém chính xác hơn mười lần đối với lưu lượng thấp hơn.

Tại sao điều này lại quan trọng? Sai số tương đối là một chỉ báo tốt hơn nhiều về hiệu suất của thiết bị tại một điểm vận hành cụ thể. Nó giúp trả lời câu hỏi "Phép đo này hiện tại tốt đến mức nào?". Tuy nhiên, các nhà sản xuất thiết bị không thể liệt kê sai số tương đối cho mọi giá trị có thể đo được. Họ cần một thước đo duy nhất, đáng tin cậy để đảm bảo hiệu suất của thiết bị trên toàn bộ khả năng vận hành. Đó chính là nhiệm vụ của sai số tham chiếu.

3. Lỗi tham chiếu (%FS): Tiêu chuẩn công nghiệp

Đây là thông số kỹ thuật mà bạn thường thấy nhất trên các bảng dữ liệu: độ chính xác được thể hiện dưới dạng phần trămofĐầyTỷ lệ (%FS), còn được gọi là sai số tham chiếu hoặc sai số khoảng. Thay vì so sánh sai số tuyệt đối với giá trị đo hiện tại, nó so sánh với tổng khoảng (hoặc phạm vi) của thiết bị.

Công thức:

Phạm vi đo lường (hay Khoảng cách) là sự khác biệt giữa giá trị tối đa và tối thiểu mà thiết bị được thiết kế để đo.

Ví dụ quan trọng: Hiểu về %FS

Hãy tưởng tượng bạn muaamáy phát áp suấtvớicác thông số kỹ thuật sau:

• Phạm vi: 0 đến 200 bar

• Độ chính xác: ±0,5% FS

Bước 1: Tính sai số tuyệt đối cho phép tối đa.

Đầu tiên, chúng ta tìm sai số tuyệt đối tương ứng với phần trăm này: sai số tuyệt đối tối đa = 0,5% × (200 bar – 0 bar) = 0,005 × 200 bar = ±1 bar.

Đây là phép tính quan trọng nhất, cho chúng ta biết rằng bất kể áp suất nào chúng ta đo, kết quả đo từ dụng cụ này đều đảm bảo nằm trong phạm vi ±1 bar so với giá trị thực.

Bước 2: Xem điều này ảnh hưởng thế nào đến độ chính xác tương đối.

Bây giờ, chúng ta hãy xem lỗi ±1 bar này có ý nghĩa gì tại các điểm khác nhau trong phạm vi:

• Đo áp suất 100 bar (50% dải đo): Giá trị đo có thể nằm trong khoảng từ 99 đến 101 bar. Sai số tương đối tại thời điểm này là (1 bar / 100 bar) × 100% = ±1%.

• Đo áp suất 20 bar (10% dải đo): Giá trị đo có thể nằm trong khoảng từ 19 đến 21 bar. Sai số tương đối tại thời điểm này là (1 bar / 20 bar) × 100% = ±5%.

• Đo áp suất 200 bar (100% dải đo): Giá trị đọc có thể nằm trong khoảng từ 199 đến 201 bar. Sai số tương đối tại thời điểm này là (1 bar / 200 bar) × 100% = ±0,5%.

Điều này cho thấy một nguyên tắc quan trọng của thiết bị đo lường là độ chính xác tương đối của thiết bị tốt nhất ở mức cao nhất và kém nhất ở mức thấp nhất.

Bài học thực tế: Làm thế nào để chọn đúng nhạc cụ?

Mối quan hệ giữa %FS và sai số tương đối có tác động sâu sắc đến việc lựa chọn thiết bị.Sai số tham chiếu càng nhỏ thì độ chính xác tổng thể của thiết bị càng caoTuy nhiên, bạn cũng có thể cải thiện độ chính xác của phép đo chỉ bằng cách chọn đúng phạm vi cho ứng dụng của mình.

Nguyên tắc vàng khi xác định kích thước đo lường là chọn một thiết bị có giá trị hoạt động điển hình nằm trong nửa trên (lý tưởng nhất là hai phần ba trên) của dải đo toàn thang đo. Hãy xem xét một ví dụ sau:

Hãy tưởng tượng quy trình của bạn thường hoạt động ở áp suất 70 bar, nhưng có thể đạt đỉnh lên tới 90 bar. Bạn đang cân nhắchaimáy phát, cả hai đều có độ chính xác FS ±0,5%:

• Máy phát A: Phạm vi 0-500 bar

• Máy phát B: Phạm vi 0-100 bar

Hãy tính toán sai số tiềm ẩn cho điểm hoạt động bình thường của bạn là 70 bar:

Máy phát A (0-500 bar):

• Sai số tuyệt đối tối đa = 0,5% × 500 bar = ±2,5 bar.

• Ở 70 bar, số đo của bạn có thể sai lệch 2,5 bar. Sai số tương đối thực tế của bạn là (2,5 / 70) × 100% ≈ ±3,57%. Đây là một sai số đáng kể!

Máy phát B (0-100 bar):

• Sai số tuyệt đối tối đa = 0,5% × 100 bar = ±0,5 bar.

• Ở 70 bar, số đo của bạn chỉ có thể sai lệch 0,5 bar. Sai số tương đối thực tế của bạn là (0,5 / 70) × 100% ≈ ±0,71%.

Bằng cách chọn thiết bị có phạm vi "nén" phù hợp cho ứng dụng của mình, bạn đã cải thiện độ chính xác đo lường thực tế lên gấp năm lần, mặc dù cả hai thiết bị đều có cùng mức độ chính xác "%FS" trên bảng dữ liệu của chúng.

Độ chính xác so với độ chính xác: Một sự phân biệt quan trọng

Để hoàn toàn làm chủ phép đo, cần có thêm một khái niệm nữa: sự khác biệt giữa độ chính xác và độ chuẩn xác. Mọi người thường sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau, nhưng trong khoa học và kỹ thuật, chúng mang ý nghĩa rất khác nhau.

Sự chính xácisLàm saođóng một phép đo là giá trị thực. Nó liên quan đến sai số tuyệt đối và tương đối. Một thiết bị đo chính xác, trung bình, sẽ cho kết quả đo chính xác.

Độ chính xácisLàm saonhiều phép đo gần nhau của cùng một thứ. Nó đề cập đến khả năng lặp lại hoặc tính nhất quán của phép đo. Một thiết bị đo chính xác sẽ cho bạn kết quả gần như giống nhau mỗi lần, nhưng kết quả đó không nhất thiết là chính xác.

Sau đây là phép so sánh mục tiêu:

• Chính xác và Chuẩn xác: Tất cả các cú đánh của bạn đều tập trung chặt chẽ vào tâm điểm. Đây là điều lý tưởng.

• Chính xác nhưng không chính xác: Tất cả các phát bắn của bạn đều tập trung lại với nhau, nhưng chúng lại nằm ở góc trên bên trái của mục tiêu, cách xa hồng tâm. Điều này cho thấy một lỗi hệ thống, chẳng hạn như ống ngắm trên súng trường bị lệch hoặc cảm biến được hiệu chuẩn kém. Thiết bị có thể lặp lại nhưng liên tục sai.

• Chính xác nhưng không chính xác: Các phát bắn của bạn rải rác khắp mục tiêu, nhưng vị trí trung bình của chúng lại nằm ở tâm của bia. Điều này cho thấy một lỗi ngẫu nhiên, trong đó mỗi phép đo dao động không thể đoán trước.

• Không chính xác cũng không chuẩn xác: Các phát bắn được phân tán ngẫu nhiên khắp mục tiêu, không có tính nhất quán.

Một thiết bị có thông số kỹ thuật FS 0,5% được cho là có độ chính xác cao, trong khi độ chính xác (hoặc khả năng lặp lại) thường được liệt kê dưới dạng một mục riêng biệt trên bảng dữ liệu và thường là một con số nhỏ hơn (tốt hơn) so với độ chính xác của nó.

Phần kết luận

Hiểu được những sắc thái của lỗi là điều tạo nên sự khác biệt giữa một kỹ sư giỏi và một kỹ sư xuất sắc.

Tóm lại, việc nắm vững sai số đo lường đòi hỏi phải chuyển từ các khái niệm cơ bản sang ứng dụng thực tế. Sai số tuyệt đối cung cấp độ lệch thô, sai số tương đối đặt nó vào bối cảnh của phép đo hiện tại, và sai số tham chiếu (%FS) cung cấp sự đảm bảo chuẩn hóa về sai số tối đa của thiết bị trên toàn bộ dải đo. Điểm mấu chốt cần lưu ý là độ chính xác được chỉ định của thiết bị và hiệu suất thực tế của nó không giống nhau.

Bằng cách hiểu được tác động của lỗi %FS cố định đến độ chính xác tương đối trên toàn thang đo, các kỹ sư và kỹ thuật viên có thể đưa ra quyết định sáng suốt. Việc lựa chọn một thiết bị có dải đo phù hợp với ứng dụng cũng quan trọng như việc đánh giá độ chính xác của nó, đảm bảo dữ liệu thu thập được phản ánh thực tế một cách đáng tin cậy.

Lần tới khi bạn xem lại bảng dữ liệu và thấy xếp hạng độ chính xác, bạn sẽ hiểu chính xác ý nghĩa của nó. Bạn có thể tính toán sai số tiềm ẩn tối đa, hiểu rõ sai số đó sẽ ảnh hưởng đến quy trình của bạn như thế nào tại các điểm vận hành khác nhau và đưa ra quyết định sáng suốt, đảm bảo dữ liệu bạn thu thập không chỉ là những con số trên màn hình mà còn là sự phản ánh đáng tin cậy của thực tế.

Liên hệ với các chuyên gia đo lường của chúng tôi