Phân Tích Sai Số Đồng Hồ Vạn Năng Và Cách Tính Chính Xác

Khi sử dụng hai đồng hồ vạn năng để đo cùng một nguồn điện hoặc linh kiện, kết quả hiển thị đôi khi có sự chênh lệch. Điều này không nhất thiết cho thấy thiết bị bị hỏng mà có thể xuất phát từ độ chính xác, độ phân giải, thang đo hoặc điều kiện sử dụng. Phân tích sai số đồng hồ vạn năng giúp người dùng hiểu giới hạn của kết quả đo, đọc đúng thông số Accuracy và đánh giá thiết bị có đáp ứng yêu cầu kiểm tra hay không.

Sai số đồng hồ vạn năng là gì?

Sai số đồng hồ vạn năng là độ chênh lệch giữa kết quả đo được và giá trị tham chiếu của đại lượng đang kiểm tra. Trong thực tế, giá trị thực tuyệt đối thường không thể xác định hoàn toàn chính xác, vì vậy việc đánh giá sai số cần dựa trên giá trị tham chiếu có độ tin cậy phù hợp.

Ví dụ, khi kiểm tra một nguồn điện áp có giá trị tham chiếu 12,000V, đồng hồ hiển thị 12,03V. Sai số chỉ thị so với giá trị tham chiếu là:

[
E = 12,03 - 12,000 = +0,03V
]

Kết quả này cho thấy đồng hồ đọc cao hơn giá trị tham chiếu 0,03V tại điểm kiểm tra. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ độ chính xác của thiết bị, cần xem xét thêm độ không đảm bảo đo của chuẩn tham chiếu và điều kiện thực hiện phép đo.

Trong tài liệu kỹ thuật, nhà sản xuất thường công bố thông số Accuracy riêng cho từng chức năng như đo điện áp DC, điện áp AC, dòng điện hoặc điện trở. Vì vậy, không thể sử dụng một giá trị Accuracy duy nhất để đánh giá toàn bộ khả năng đo của đồng hồ.

Phân biệt sai số, độ chính xác và độ phân giải

Khi phân tích sai số đồng hồ vạn năng, cần phân biệt những khái niệm sau:

• Error (Sai số): Chênh lệch giữa kết quả đo và giá trị tham chiếu.
• Accuracy (Độ chính xác): Mức độ gần đúng của kết quả đo so với giá trị được đo. Trong datasheet, Accuracy thường được thể hiện bằng giới hạn sai số theo điều kiện quy định.
• Resolution (Độ phân giải): Mức thay đổi nhỏ nhất của giá trị mà thiết bị có thể hiển thị hoặc phân biệt trên một thang đo.
• Precision (Độ chụm): Mức độ gần nhau giữa các kết quả khi lặp lại phép đo trong điều kiện xác định.

Ví dụ, đồng hồ hiển thị 12,001V có độ phân giải hiển thị 0,001V tại thang đo đó. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa kết quả chính xác đến 0,001V.

Một thiết bị có thể hiển thị nhiều chữ số nhưng vẫn có giới hạn sai số lớn hơn bước hiển thị. Do đó, cần đọc đồng thời độ phân giải và thông số Accuracy.

Phân biệt sai số, độ chính xác, độ phân giải 

Cách đọc thông số Accuracy trên đồng hồ vạn năng

Thông số Accuracy thường được nhà sản xuất trình bày trong bảng đặc tính kỹ thuật theo từng chức năng và dải đo. Một dạng công bố phổ biến là:

[
\pm(a%\text{ Reading}+n\text{ Digits})
]

Để tính đúng giới hạn sai số, người dùng cần hiểu ý nghĩa của từng thành phần trong biểu thức này.

Ý nghĩa của % Reading

% Reading là thành phần sai số được tính theo phần trăm giá trị mà đồng hồ hiển thị.

Ví dụ, thiết bị có thông số ±0,5% Reading và đang hiển thị 100V.

Thành phần giới hạn sai số tương ứng:

[
100\times0,5%=0,5V
]

Nếu kết quả hiển thị tăng lên 200V, thành phần này sẽ tăng thành 1V.

Như vậy, với cùng tỷ lệ phần trăm, sai số tuyệt đối tính theo Reading thay đổi theo giá trị đo.

Tuy nhiên, biểu thức Accuracy thực tế thường có thêm thành phần Digits hoặc Counts. Vì vậy, không nên chỉ tính phần trăm Reading rồi kết luận đó là toàn bộ giới hạn sai số.

Ý nghĩa của Digits và Counts

Trong biểu thức Accuracy, Digits hoặc Counts thường chỉ số đơn vị đếm của chữ số ít có trọng số nhất trên thang đo.

Ví dụ, đồng hồ có độ phân giải 0,01V và thông số cộng thêm 2 Digits.

Thành phần sai số tương ứng:

[
2\times0,01=0,02V
]

Nếu chuyển sang thang có độ phân giải 0,1V, cùng mức 2 Digits sẽ tương ứng 0,2V.

Cần phân biệt thành phần +2 Digits trong công thức Accuracy với thông số tổng số counts hiển thị của đồng hồ, chẳng hạn 4.000 counts hoặc 6.000 counts.

Tổng số counts cho biết khả năng hiển thị của thiết bị, còn thành phần Digits trong biểu thức Accuracy được sử dụng để tính giới hạn sai số theo độ phân giải của thang đo.

Phân biệt % Reading và % Range

Ngoài % Reading, một số thiết bị còn công bố thành phần sai số theo % Range.

Hai cách tính này khác nhau:

• % Reading: Tính theo giá trị đồng hồ đang hiển thị.
• % Range: Tính theo giá trị thang đo được quy định trong datasheet.

Giả sử đồng hồ hiển thị 5V trên thang 20V.

Nếu thành phần sai số là 0,5% Reading:

[
5\times0,5%=0,025V
]

Nếu thành phần sai số là 0,5% Range, với giá trị toàn thang được quy định là 20V:

[
20\times0,5%=0,1V
]

Có thể thấy hai cách công bố tạo ra giới hạn sai số khác nhau.

Vì vậy, khi đọc tài liệu kỹ thuật, cần xác định chính xác nhà sản xuất sử dụng % Reading, % Range hay kết hợp nhiều thành phần.

Công thức tính sai số đồng hồ vạn năng và ví dụ thực tế

Để phân tích sai số đồng hồ vạn năng theo thông số nhà sản xuất, cần xác định giá trị hiển thị, độ phân giải của thang và biểu thức Accuracy tương ứng.

Công thức tính theo % Reading + Digits

Với thông số:

[
\pm(a%\text{ Reading}+n\text{ Digits})
]

Giới hạn sai số tuyệt đối được tính theo công thức:

[
\Delta=\frac{a}{100}|R|+n\times d
]

Trong đó:

• R: Giá trị đồng hồ hiển thị.
• a: Hệ số phần trăm Reading.
• n: Số Digits hoặc Counts được cộng thêm.
• d: Độ phân giải của thang đo.
• Δ: Giới hạn sai số tuyệt đối theo đơn vị của đại lượng đang đo.

Khi điều kiện đo đáp ứng đầy đủ yêu cầu công bố Accuracy, có thể biểu diễn khoảng giá trị tương ứng bằng:

[
R-\Delta\leq X\leq R+\Delta
]

Trong đó, X là giá trị đại lượng đo được xem xét theo giới hạn sai số đã công bố.

Cần lưu ý đây là cách diễn giải giới hạn theo thông số thiết bị, không phải khoảng tin cậy thống kê hay kết quả đánh giá độ không đảm bảo đo đầy đủ.

Công thức tính theo % Reading + Digits

Ví dụ tính sai số khi đo điện áp DC

Giả sử đồng hồ có thông số:

• Accuracy: ±(0,5% Reading + 2 Digits).
• Giá trị hiển thị: 12,00V.
• Độ phân giải: 0,01V.

Bước 1: Tính thành phần theo Reading

[
12,00\times0,5%=0,06V
]

Bước 2: Tính thành phần Digits

[
2\times0,01=0,02V
]

Bước 3: Tính tổng giới hạn sai số

[
\Delta=0,06+0,02=0,08V
]

Như vậy, giới hạn sai số theo thông số giả định là ±0,08V.

Khoảng giá trị tương ứng:

[
12,00-0,08=11,92V
]

[
12,00+0,08=12,08V
]

Kết quả được diễn giải là 12,00V ± 0,08V, tương ứng khoảng 11,92–12,08V nếu các điều kiện áp dụng Accuracy được đáp ứng.

Ví dụ tính sai số khi đo điện trở

Giả sử đồng hồ đo điện trở có:

• Accuracy: ±(1% Reading + 3 Digits).
• Giá trị hiển thị: 1.000Ω.
• Độ phân giải: 1Ω.

Thành phần theo Reading:

[
1.000\times1%=10\Omega
]

Thành phần Digits:

[
3\times1=3\Omega
]

Tổng giới hạn sai số:

[
\Delta=10+3=13\Omega
]

Kết quả tương ứng:

[
1.000\Omega\pm13\Omega
]

Khoảng giá trị theo giới hạn sai số là 987–1.013Ω.

Hai ví dụ trên sử dụng thông số giả định để minh họa phương pháp tính, không phải thông số Accuracy của một model đồng hồ cụ thể.

Những yếu tố ảnh hưởng đến sai số đồng hồ vạn năng

Thông số Accuracy trong datasheet được xác định theo những điều kiện nhất định. Khi sử dụng thiết bị ngoài thực tế, kết quả còn chịu ảnh hưởng từ thang đo, môi trường, đặc điểm mạch điện và phương pháp thao tác.

Thang đo và độ phân giải

Cùng một giá trị điện áp nhưng khi sử dụng các thang đo khác nhau, giới hạn sai số có thể thay đổi.

Ví dụ, đồng hồ đo điện áp 12V trên thang có độ phân giải 0,01V sẽ có thành phần 2 Digits tương ứng 0,02V. Nếu chuyển sang thang có độ phân giải 0,1V, thành phần này tăng lên 0,2V.

Ngoài ra, nhà sản xuất có thể công bố Accuracy khác nhau giữa các thang đo. Vì vậy, khi cần đo chính xác, người dùng nên lựa chọn thang phù hợp và đối chiếu thông số tương ứng trong datasheet.

Không nên mặc định thang nhỏ nhất luôn tốt nhất. Giá trị cần đo phải nằm trong giới hạn cho phép và không vượt quá khả năng của thiết bị.

Nhiệt độ và thời gian từ lần hiệu chuẩn

Độ chính xác của đồng hồ vạn năng có thể thay đổi theo nhiệt độ môi trường và độ ổn định của các linh kiện bên trong.

Thông số Accuracy thường được nhà sản xuất công bố trong một khoảng nhiệt độ xác định, chẳng hạn 18–28°C đối với một số thiết bị. Khi hoạt động ngoài khoảng này, có thể cần tính thêm hệ số nhiệt độ theo tài liệu kỹ thuật.

Bên cạnh đó, đặc tính đo của thiết bị có thể thay đổi theo thời gian do sự lão hóa và độ trôi của linh kiện.

Việc hiệu chuẩn giúp xác định sai lệch của thiết bị tại các điểm đo so với chuẩn tham chiếu. Tuy nhiên, không phải mọi đồng hồ vạn năng đều bắt buộc hiệu chuẩn sau đúng 12 tháng. Chu kỳ phù hợp phụ thuộc vào tần suất sử dụng, yêu cầu đo lường, lịch sử thiết bị và quy định quản lý của đơn vị.

Trở kháng đầu vào và ảnh hưởng tải đo

Khi kết nối đồng hồ vào mạch, thiết bị có thể tác động đến chính đại lượng đang được đo. Hiện tượng này được gọi là loading effect.

Ví dụ, một nguồn tín hiệu có điện áp hở mạch 10V và điện trở nguồn 1MΩ. Nếu sử dụng đồng hồ có trở kháng đầu vào 10MΩ, điện áp tại đầu vào đồng hồ theo mô hình chia áp lý tưởng sẽ là:

[
V=10\times\frac{10}{1+10}\approx9,09V
]

Như vậy, dù nguồn có điện áp hở mạch 10V, đồng hồ chỉ nhận được khoảng 9,09V do ảnh hưởng tải đo.

Đây không phải sai số Accuracy của bản thân đồng hồ mà là sự thay đổi điện áp tại điểm đo do kết nối thiết bị.

Khi kiểm tra các mạch có trở kháng cao, cần đặc biệt chú ý đến trở kháng đầu vào của đồng hồ để hạn chế ảnh hưởng này.

Tần số và dạng sóng khi đo AC

Độ chính xác khi đo điện áp hoặc dòng điện AC còn phụ thuộc vào tần số và hình dạng tín hiệu.

Trong datasheet, nhà sản xuất thường quy định Accuracy theo từng khoảng tần số. Một đồng hồ có thể đo tốt ở tần số điện lưới nhưng có sai số lớn hơn khi đo tín hiệu ở tần số cao.

Đối với dạng sóng không hình sin, đồng hồ đo AC theo phương pháp đáp ứng trung bình có thể cho kết quả khác giá trị hiệu dụng thực tế.

Đồng hồ True RMS hỗ trợ xác định giá trị hiệu dụng của dạng sóng không hình sin trong phạm vi thiết kế. Tuy nhiên, kết quả vẫn chịu giới hạn bởi băng thông, hệ số đỉnh, mức tín hiệu và điều kiện đo.

Vì vậy, khi phân tích sai số đồng hồ vạn năng trong phép đo AC, không nên chỉ sử dụng thông số Accuracy mà bỏ qua đặc điểm tín hiệu.

Yếu tố ảnh hưởng tới sai số đồng hồ vạn năng 

Sai số đồng hồ vạn năng ảnh hưởng thế nào đến kết quả đo?

Hiểu giới hạn sai số không chỉ giúp đọc kết quả chính xác hơn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến việc đánh giá thiết bị, linh kiện hoặc sản phẩm có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hay không.

Khi đánh giá điện áp nguồn

Giả sử một nguồn điện được quy định phải nằm trong khoảng 11,9–12,1V.

Đồng hồ hiển thị 12,05V, với giới hạn sai số tính theo thông số thiết bị là ±0,08V.

Khoảng giá trị tương ứng:

[
12,05\pm0,08=11,97\text{ đến }12,13V
]

Mặc dù giá trị hiển thị 12,05V nằm trong giới hạn cho phép, khoảng giá trị xét theo giới hạn sai số lại vượt mức 12,1V.

Do đó, nếu yêu cầu là phải bảo đảm kết quả nằm trong toàn bộ giới hạn chấp nhận, phép đo này chưa đủ cơ sở để kết luận nguồn đạt yêu cầu.

Trong trường hợp đó, người dùng có thể cần thiết bị có giới hạn sai số nhỏ hơn hoặc áp dụng quy trình đánh giá phù hợp.

Khi kiểm tra linh kiện điện tử

Sai số phép đo có thể ảnh hưởng đến việc đánh giá linh kiện còn đáp ứng thông số kỹ thuật hay không.

Ví dụ, một điện trở có giá trị danh định 1.000Ω với dung sai ±1% sẽ có khoảng giá trị danh định cho phép từ 990Ω đến 1.010Ω.

Nếu đồng hồ hiển thị 1.008Ω nhưng giới hạn sai số của phép đo là ±13Ω, kết quả chưa đủ để xác nhận chắc chắn điện trở nằm trong khoảng dung sai.

Cần phân biệt:

• Dung sai linh kiện: Mức sai lệch cho phép so với giá trị danh định của linh kiện.
• Sai số phép đo: Chênh lệch liên quan đến quá trình xác định giá trị linh kiện bằng thiết bị đo.

Đối với phép đo điện trở rất thấp, điện trở của dây đo và tiếp xúc cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Những ứng dụng này có thể cần phương pháp đo bốn dây để giảm ảnh hưởng của điện trở dây dẫn.

Khi kiểm tra chất lượng sản phẩm

Trong hoạt động QC, kết quả đo thường được sử dụng để đưa ra quyết định đạt hoặc không đạt.

Nếu kết quả nằm gần giới hạn chấp nhận, sai số và độ không đảm bảo đo có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của quyết định.

Vì vậy, doanh nghiệp cần xác định quy tắc chấp nhận phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, thay vì chỉ so sánh trực tiếp giá trị hiển thị với giới hạn sản phẩm.

Cần lưu ý rằng thông số Accuracy của đồng hồ chỉ là một yếu tố trong đánh giá độ không đảm bảo đo. Các thành phần khác có thể bao gồm chuẩn tham chiếu, phương pháp đo, điều kiện môi trường và độ lặp lại.

Cách kiểm tra và hạn chế sai số khi sử dụng đồng hồ vạn năng

Để kết quả đo có độ tin cậy phù hợp, người dùng cần chú ý cả tình trạng thiết bị và phương pháp thực hiện.

Kiểm tra đồng hồ và que đo trước khi sử dụng

Quan sát tình trạng dây đo, đầu tiếp xúc, cổng đo và màn hình. Nếu phát hiện dây hở, đầu đo hư hỏng hoặc thiết bị hoạt động bất thường, cần xử lý trước khi thực hiện phép đo.

Chọn đúng chức năng và thang đo

Xác định đại lượng cần đo và lựa chọn thang phù hợp. Khi sử dụng đồng hồ có Auto Range, vẫn cần kiểm tra thiết bị đang hoạt động ở chức năng đo chính xác.

Đọc điều kiện áp dụng Accuracy

Kiểm tra thông số độ chính xác theo đúng dải đo, nhiệt độ, tần số và các điều kiện được nhà sản xuất công bố.

Sử dụng chuẩn tham chiếu phù hợp

Nếu cần xác minh độ chính xác, nên sử dụng nguồn điện áp chuẩn, điện trở chuẩn hoặc thiết bị hiệu chuẩn có độ tin cậy phù hợp.

Không nên dùng pin thông thường hoặc nguồn điện chưa được xác định đặc tính làm chuẩn để đánh giá độ chính xác của đồng hồ.

Thực hiện hiệu chuẩn hoặc xác minh định kỳ

Thiết lập chu kỳ dựa trên mức độ quan trọng của phép đo, tần suất sử dụng và yêu cầu quản lý thiết bị. Nếu phát hiện kết quả bất thường, cần kiểm tra hoặc hiệu chuẩn trước khi tiếp tục sử dụng cho các phép đo quan trọng.

Lựa chọn đồng hồ vạn năng theo yêu cầu độ chính xác

Sau khi hiểu cách tính và phân tích sai số đồng hồ vạn năng, người dùng có thể lựa chọn thiết bị dựa trên mức độ chính xác thực sự cần thiết cho công việc.

Không có một mức Accuracy cố định phù hợp với mọi công việc. Ví dụ, yêu cầu kiểm tra điện áp nguồn với dung sai ±10% sẽ khác với phép đo linh kiện có dung sai ±0,1%.

Vì vậy, cần xác định dung sai của đối tượng kiểm tra và mức độ tin cậy mong muốn trước khi lựa chọn đồng hồ.

Tham khảo đồng hồ vạn năng tại LIDINCO

LIDINCO cung cấp các dòng đồng hồ vạn năng phục vụ sửa chữa điện tử, bảo trì, nghiên cứu và kiểm tra chất lượng.

Khách hàng có thể tham khảo hai nhóm thiết bị:

• Đồng hồ vạn năng cầm tay: Các dòng sản phẩm từ Fluke, Hioki, Sanwa, Twintex và những thương hiệu khác, phù hợp với nhiều công việc đo kiểm tại hiện trường.
• Đồng hồ vạn năng để bàn: Các dòng Siglent SDM3045X, SDM3055 và SDM3065X, phục vụ những ứng dụng cần độ phân giải cao, nhiều chức năng đo hoặc khả năng kết nối dữ liệu.

Tùy model, độ chính xác có thể khác nhau giữa phép đo điện áp DC, AC, điện trở và dòng điện. Vì vậy, khách hàng cần đối chiếu bảng thông số kỹ thuật của sản phẩm thay vì chỉ dựa trên một giá trị Accuracy được giới thiệu chung.

Phân tích sai số đồng hồ vạn năng giúp người dùng hiểu rõ giới hạn của kết quả đo và đánh giá đúng thông số Accuracy do nhà sản xuất công bố. Trong đó, việc xác định % Reading, Digits, độ phân giải và điều kiện đo là cơ sở để tính giới hạn sai số theo từng thang.

Bên cạnh đó, các yếu tố như nhiệt độ, trở kháng đầu vào, tần số và tình trạng hiệu chuẩn cũng cần được xem xét khi đánh giá kết quả thực tế.

Nếu cần lựa chọn đồng hồ vạn năng cho sửa chữa, bảo trì, R&D hoặc QC, khách hàng có thể tham khảo các sản phẩm tại LIDINCO để tìm thiết bị có độ chính xác và chức năng đáp ứng yêu cầu đo kiểm.