Đo lường Khoa học là gì ? Phương pháp đo lường là gì? + Lý thuyết đo lường cơ sở Một bài viết tổng hợp ý nghĩa đo lường của Hoa sen vàng Đo lường pháp quyền liên quan đến các vấn đề sau: Đo lường pháp quyền là một lĩnh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để mọi hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn được đảm bảo về chất lượng và số lượng trong sản xuất thương mại cũng như trong giao dịch quốc tế.
+ Lý thuyết đo lường ứng dụng
+ Xem xét từng đặc trưng đo lườngPhương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó là tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể để thực hiện phép đo, trong đó nguyên tắc để xác định thông số đo. Các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toán học hay mối quan hệ vật lý có liên quan đến đại lượng đo.[1] Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo chia ra: đo tiếp xúc và ko tiếp xúc[2] Dựa vào quan hệ về giá trị đo chia ra: đo tuyệt đối và đo so sánh[3] Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo chia ra: đo trực tiếp và đo gián tiếp.[4] Ngoài ra trong đánh giá và kiểm tra sp chia ra: đo từng phần và đo tổng hợp
Tuy nhiên ở bài này, tác giả không đề cập đến lĩnh vực đo lường pháp quyền mà nhấn mạnh chủ yếu vào lĩnh vực đo lường thứ hai của đo lường, đó là Đo lường khoa học. Trong đo lường khoa học người ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo lường trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: Tập trung phân tích các ý tưởng, nguyên lý và phương hướng khoa học của nó được đặt dưới cái tên chung là “Lý thuyết đo lường”. Để hiểu rõ nội dung của Đo lường khoa học trước tiên ta phải hiểu đo lường là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo lường?
Quy cách kiểm định - hiệu chuẩn thiết bị đo lườngĐo lường như là một phương pháp đánh giá về định lượng của đổi tượng vật chật và phi vật chất có tính biện chứng toàn diện, từ đó hình thành các hướng khác nhau của lý thuyết đo lường. Ví dụ như trong vật lý lượng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan tâm đến việc đo các đại lượng có kích thước nhỏ, điều này hình thành lý thuyết đo lường cơ học lượng tử. Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ thống, điều khiển học... phải quan tâm đến đại lượng phi vật lý cần đo, điều này hình thành lý thuyết đo lường tâm lý. Trong đo lường học [metrology] người ta quan tâm đến sai số từ đó hình thành lý thuyết về sai số. Sai số cũng được coi là một dạng nhiễu trong kênh đo lường và từ đó hình thành lý thuyết đo lường thông tin. Việc nghiên cứu về phép đo như là một phương pháp [angôrit] nào đó để nhận được kết quả bằng số về giá trị của một đại lượng cần đo nào đó [vật lý hay phi vật lý] từ đó hình thành lý thuyết đo lường angôrit. Tóm lại lý thuyết đo lường là một khái niệm rất rộng nó bao quát nhiều lĩnh vực, nhiều hướng phát triển và mỗi hướng tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lường.Qua quá trình nghiên cứu và phát triển của lý thuyết đo lường ta có thể phân thành 2 hướng phát triển chính:
Lý thuyết đo lường cơ sở
Những phát minh về quy luật của phép đo luôn đem lại ảnh hưởng quyết định đến nền khoa học chính xác. Ví dụ trong vật lý hiện đại, phát minh nổi tiếng trong lĩnh vực đo lường là hệ thức bất định của Gâyzenbeg về nguyên tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lường cơ lượng tử trong vật lý lượng tử. Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho quá trình đo lường một cách hiệu quả.
Ví dụ việc phát minh ra phương pháp biến đổi Furiê nhanh đã giúp cho các nhà đo lường phân tích phổ một tín hiệu đo với một dải tần ngày càng cao và xác định được hàm mật độ phổ một cách nhanh chóng, mở ra một phương pháp đo lường hiện đại, đó là đo lường toán học logic mà cốt lõi của nó là đo lường angorit trong đó bao hàm cả việc gia công kết quả đo lường. Đối với các đại lượng đo phi vật lý, lý thuyết đo lường cơ sở chú ý đến việc xác định các đặc trưng phi vật lý [ví dụ lượng thông tin hay các đặc trưng thống kê...] những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lượng phi vật lý mà ta gọi đó là đo lường tâm lý.
Lý thuyết đo lường ứng dụng
Lý thuyết đo lường ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong thực tế, các bài toán cụ thể được đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo lường nói riêng. Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lường [trước đây là hệ mét, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lường quốc tế SI] để bảo đảm sự thống nhất đo lường trên toàn thế giới. Xung quanh bài toán đó trong khoa học ngày nay hình thành một lĩnh vực được gọi là đo lường học [Metrology]. Đo lường học là một khoa học về các phép đo, về phương pháp và phương tiện đo để đảm bảo cho các quá trình đo được thống nhất và các phương pháp nhằm đạt được độ chính xác yêu cầu. Đo lường học đóng vai trò to lớn trong việc xây dựng phương pháp thiết bị đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lường. Khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của máy tính và điều khiển học kỹ thuật trong đo lường đã làm xuất hiện một lĩnh vực mới trong đo lường ứng dụng đó là đo lường tự động.Kiểm định - hiệu chuẩn phương pháp đo lường
Nội dung của đo lường tự động đó là con người ít can thiệp vào. Mọi thao tác đo lường và xử lý thông tin hoàn toàn tự động, sự xuất hiện các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin đo lường và điều khiển thông mình, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số và các phương tiện hiện đại như cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ thống đo và điều khiển từ xa rất hiệu quả và tiện lợi. Như vậy lý thuyết đo lường ứng dụng hiện đại bao gồm 2 hướng phát triển hỗ trợ cho nhau là đo lường học và đo lường tự động. Cả hai hướng đều phản ánh 2 quá trình quan trọng nhất trong kỹ thuật đo lường đó là quá trình vật lý [sử dụng những thành tựu của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và quá trình tự động hoá. Sử dụng các phương pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất công nghiệp].Cùng với đo lường cơ sở, đo lường ứng dụng ngày càng phát triển tạo thành ngành kỹ thuật đo lường là một ngành học công nghệ cao, nó có mặt ở khắp mọi nơi, ở mọi lĩnh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội. Sự phát triển của nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển khoa học - kỹ thuật, đưa lại lợi ích to lớn cho xã hội. Để hiểu rõ hơn về ngành kỹ thuật đo lường, ta quan tâm trước tiên là các đặc trưng của nó. Đó là những yếu tố tối cần thiết không thể thiểu được của kỹ thuật đo. Những đặc trưng đó là: đại lượng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo.Xem xét từng đặc trưng đo lường
- Đại lượng đo: Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành 2 loại đó là đại lượng đo tiền định và đại lượng đo ngẫu nhiên. Đại lượng đo tiền định là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số của chúng chưa cần phải đo. Đại lượng đo tiền định thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số cần được đo thường là biên độ, tần số, góc pha... của tín hiệu đo. Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên.Ta thấy trong thực tế số các đại lượng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết [tức là đại lượng đo tiền định] hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm. Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo được bằng các phép đo thông thường. Trong trường hợp này ta phải sử dụng một phương pháp đo đặc biệt đó là đo lường thống kê. Theo cách biến đổi đại lượng đo mà ta có thể chia thành đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tương tự [analog] và đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số [digital]. Đại lượng đo tương tự tức là biến đổi nó thành một đại lượng đo khác tương tự nó. Ứng với đại lượng đo này người ta thường chế tạo các dụng cụ đo tương tự. Ví dụ một ampemét có kim chỉ tương ứng với cường độ dòng điện. Còn đại lượng đo số tức là biến đổi từ đại lượng tương tự thành đại lượng số. Ứng với đại lượng đo này người ta thường chế tạo các dụng cụ đo số.Theo bản chất của đại lượng đo ta có thể chia thành:
- Đại lượng đo năng lượng: Tức là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng lượng. Ví dụ: Sức điện động, điện áp, dòng điện...
- Các đại lượng đo thông số: Đó là thông số của mạch điện như: Điện trở, điện cảm, điện dung...
- Các đại lượng đo phụ thuộc thời gian như: Chu kỳ tần số góc pha...
- Các đại lượng đo không điện: Để đo được bằnh phương pháp điện nhất thiết phải biến đổi chúng thành điện nhờ các bộ cảm biến. Nhờ các bộ cảm biến này mà ta nhận được tín hiệu Y tỷ lệ với đại lượng cần đo X tức là Y = f[X]
Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng đo vì thế có khi người ta coi tín hiệu đo là đại lượng đo. - Điều kiện đoThông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo. Ngoài ra, ta phải chú ý đến môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trường là: Nhiệt độ, độ ẩm của không khí, từ trường bên ngoài, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn... Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định, đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó. Trong thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia công thông tin đo. Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để tổ chức các phép đo cho tốt nhất. - Đơn vị đo:
Để cho nhiều nước có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất người ta đã thành lập hệ thống đơn vị đo quốc tế SI - 1960 đã được thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân. Trong hệ thống đó các đơn vị được xác định như sau: "bộ chuyển đổi đơn vị đo trực tuyến"
- Đơn vị chiều dài mét [m]
- Đơn vị khối lượng là kilogam [kg]
- Đơn vị thời gian là giây [s]
- Đơn vị cường độ dòng điện là ampe [A]
- Đơn vị nhiệt độ là kelvin [K]
- Đơn vị cường độ ánh sáng là nền candela [Cd]
- Đơn vị số lượng vật chất là môn [mol]
Đó là 7 đơn vị cơ bản. Ngoài ra còn có các đơn vị dẫn xuất được suy ra từ các đơn vị cơ bản này. - Thiết bị đo:
Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có những tính chất đo lường học, tức là những tính chất có ảnh hưởng đến kết quả và sai số của phép đo. Thiết bị đo lường gồm nhiều loại đó là: Thiết bị mẫu, các dụng cụ đo lường, các tổ hợp thiết bị đo lường và các hệ thống thông tin đo lường. Mỗi loại thiết bị đều có chức năng riêng của nó.
- Phương pháp đo:Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố đo như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu... Phương pháp đo có thể có nhiều nhưng người ta đã phân thành 2 loại đó là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh. Các phương pháp này đã được chế tạo thành các thiết bị đo để sử dụng trong thực tế. - Người quan sát:Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo là phải nắm được phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo; phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị đo cho phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn sau cùng là nắm được các phương pháp gia công kết của đo để tiến hành gia công [có thể bằng tay hay dùng máy tính] số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê. - Kết quả đo:Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác. Một giá trị như vậy được coi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Nghĩa là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực.
Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo: Đó là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng. Sai số của phép đo có vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lường. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không. Có nhiều nguyên nhân gây nên sai số. Trước hết là do phương pháp đo không hoàn thiện. Sau đó là do sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài các điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn. Ngoài ra còn những yếu tố khác nữa như đo dụng cụ đo không đảm bảo chính xác nữa, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách đặt dụng cụ không chính xác... Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi, ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Việc gia công kết quả đo theo một thuật toán [angorit] nhất định bằng máy tính hay bằng tay, để đạt được kết quả mong muốn.
Trên đây là một khái niệm cơ bản của kỹ thuật đo lường, một ngành kỹ thuật công nghệ cao ngày càng phát triển và có vai trò to lớn trong tất cả cãc lĩnh vực khoa học, kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày. Nó đang góp phần vào công cuộc CNH - HĐH đất nước.
PGS.TS. Phạm Thượng Hàn
Những tin mới hơn
Những tin cũ hơn