Ba đồng hồ vạn năng để bàn của cùng một dòng sản phẩm, cùng ghi 6½ chữ số trên tờ thông số. Sai số điện áp một chiều cơ bản của chúng lần lượt là 75 ppm, 35 ppm và 30 ppm — chênh nhau hai lần rưỡi. Nếu số chữ số quyết định độ chính xác thì con số này phải giống nhau. Nó không giống nhau, và khoảng cách đó là toàn bộ nội dung bài này.
Số chữ số nói về việc màn hình chia nhỏ được tới đâu. Độ chính xác nói về việc con số hiện ra cách giá trị thật bao xa. Hai đại lượng độc lập, và giữa chúng còn một tầng thứ ba mà tờ thông số nói thẳng nhưng ít người đọc tới: mọi con số sai số đều là tương đối so với chuẩn hiệu chuẩn, không phải tuyệt đối.
Đồng hồ vạn năng để bàn: chữ số là độ phân giải, không phải độ chính xác
Đối chiếu trực tiếp bốn model trong dòng Truevolt của Keysight theo tờ thông số:
- 34460A — 6½ chữ số, sai số DCV cơ bản 75 ppm, tốc độ tối đa 300 số đọc/giây.
- 34461A — 6½ chữ số, sai số DCV cơ bản 35 ppm, tốc độ tối đa 1.000 số đọc/giây.
- 34465A — 6½ chữ số, sai số DCV cơ bản 30 ppm, tốc độ tối đa 50.000 số đọc/giây.
- 34470A — 7½ chữ số, sai số DCV cơ bản 16 ppm, tốc độ tối đa 50.000 số đọc/giây.
Ba model đầu có cùng số chữ số nhưng sai số trải từ 75 xuống 30 ppm. Điều làm nên khác biệt là chất lượng chuẩn điện áp bên trong, mạch chuyển đổi và mức nhiễu — những thứ không xuất hiện trên mặt số. Con số “sai số DCV cơ bản” này, cần nói rõ, là thành phần phần trăm số đọc của thang 10 V trong cửa sổ một năm: 0,0075% với 34460A, 0,0035% với 34461A, 0,0030% với 34465A và 0,0016% với 34470A. Đổi ra ppm đúng bằng bốn con số ở trên.
Đọc đúng một dòng thông số: ±(% số đọc + % thang đo)
Sai số của đồng hồ vạn năng để bàn luôn có hai thành phần. Tờ thông số 3458A định nghĩa rất gọn phần hay bị hiểu sai: “thang đo” là tên của thang, ví dụ 1 V, 10 V; nó không có nghĩa là số đọc toàn thang, ví dụ 1,2 V hay 12 V. Thành phần thứ hai vì thế là một lượng cố định theo thang đang chọn, không co giãn theo giá trị đang đo.
Lấy ví dụ cụ thể với 34461A, thang 10 V, cửa sổ một năm, thông số là 0,0035% số đọc + 0,0005% thang đo. Đo một nguồn 10 V: sai số là 350 µV + 50 µV = 400 µV, tức 40 ppm của giá trị đo. Vẫn thang 10 V nhưng đo một nguồn 1 V: sai số là 35 µV + 50 µV = 85 µV, tức 85 ppm của giá trị đo. Cùng một máy, cùng một thang, độ chính xác hiệu dụng xấu đi hơn hai lần chỉ vì tín hiệu nằm thấp trong thang.
Đây là sai lầm vận hành phổ biến nhất với đồng hồ vạn năng để bàn: để máy ở chế độ chọn thang tự động rồi đo một dải giá trị rộng, và ngạc nhiên vì các điểm ở đáy thang tản mát hơn hẳn. Cách xử lý là chọn thang thủ công sao cho giá trị đo nằm ở phần trên của thang, hoặc nếu buộc phải đo thấp thì tính lại ngân sách sai số theo đúng công thức trên thay vì dùng con số ppm quảng cáo.
So sánh nhanh cùng thang 10 V, cửa sổ một năm: 34470A cho 0,0016% + 0,0002%, tức 160 µV + 20 µV = 180 µV khi đo 10 V. Ưu thế của model 7½ chữ số nằm ở cả hai thành phần, không riêng thành phần nào.
Cửa sổ thời gian và nhiệt độ: bốn cột không được trộn lẫn
Mỗi bảng sai số có bốn cột: 24 giờ, 90 ngày, 1 năm và 2 năm. Chúng không phải các mức “độ chính xác khác nhau” mà là cùng một máy nhìn ở các khoảng cách khác nhau kể từ lần hiệu chuẩn gần nhất. Với 34461A thang 10 V, con số đi từ 0,0015% ở 24 giờ lên 0,0035% ở một năm và 0,0050% ở hai năm — xấu đi hơn ba lần.
Kèm theo mỗi cột là một điều kiện nhiệt độ tính từ nhiệt độ lúc hiệu chuẩn. Cột 24 giờ áp dụng trong phạm vi ±1 °C quanh nhiệt độ hiệu chuẩn; các cột dài hạn của 34460A và 34461A cho phép ±5 °C, còn 34465A siết lại còn ±2 °C. Ra ngoài phạm vi đó thì phải cộng thêm hệ số nhiệt độ, với 34461A là 0,0005% số đọc + 0,0001% thang đo cho mỗi °C.
Hai model 34465A và 34470A có thêm chức năng tự hiệu chuẩn nội bộ. Tác dụng của nó hiện ra ở cột hệ số nhiệt độ: với 34470A, hệ số nhiệt là 0,0005% + 0,0001% mỗi °C khi không dùng tự hiệu chuẩn, và cải thiện xuống 0,0001% + 0,0001% khi có dùng. Nói cách khác, tự hiệu chuẩn không thay chỗ cho hiệu chuẩn định kỳ — nó chỉ bù trôi theo nhiệt độ giữa hai lần hiệu chuẩn.
Từ sai số tương đối tới sai số tuyệt đối: chuỗi truy xuất chuẩn
Đây là tầng mà mọi con số ở trên đứng lên. Tờ thông số 3458A phát biểu thẳng trong mục “Sai số tuyệt đối so với sai số tương đối”: mọi thông số sai số của 3458A đều là tương đối so với các chuẩn hiệu chuẩn. Sai số tuyệt đối của 3458A được xác định bằng cách cộng các sai số tương đối này với độ truy xuất chuẩn của chuẩn hiệu chuẩn mà bạn dùng. Với DCV, 2 ppm là sai số truy xuất từ nhà máy — nghĩa là sai số tuyệt đối so với NIST là 2 ppm cộng thêm vào các thông số sai số DCV.
Câu này áp dụng cho mọi đồng hồ vạn năng để bàn, không riêng 3458A. Con số 16 ppm hay 35 ppm chỉ có nghĩa khi biết nó được quy chiếu về đâu. Một máy vừa hiệu chuẩn bằng chuẩn có độ truy xuất kém sẽ cho số đọc ổn định, lặp lại tốt, và sai lệch một cách nhất quán so với giá trị thật — loại sai số mà không phép thống kê nào trên chính máy đó phát hiện được.
Chuỗi truy xuất đi từ định nghĩa đơn vị trong hệ SI, qua chuẩn của viện đo lường quốc gia, xuống chuẩn chuyển của phòng hiệu chuẩn, rồi mới tới máy trên bàn. Ở mắt xích chuẩn chuyển, Keysight 3458A là thiết bị điển hình với 8½ chữ số, độ chính xác truyền 0,1 ppm cho 10 V một chiều trong một giờ ở ±0,5 °C, nhiễu nội bộ dưới 0,01 ppm rms và độ tuyến tính đã được đo bằng dãy tiếp giáp Josephson trong phạm vi ±0,05 ppm của 10 V. Độ ổn định chuẩn điện áp là 8 ppm mỗi năm, hoặc 4 ppm với tuỳ chọn 002. Máy hiệu chuẩn toàn bộ dải và chức năng, kể cả xoay chiều, chỉ từ hai chuẩn ngoài: một nguồn 10 VDC chính xác và một điện trở 10 kΩ chính xác.
Một chi tiết đáng chú ý trên tờ thông số Truevolt: các bảng sai số ghi rõ chúng tuân thủ ISO/IEC 17025 với k = 2. Hệ số phủ k = 2 tương ứng mức tin cậy xấp xỉ 95%. Khi so sánh thiết bị giữa các hãng, kiểm tra hệ số phủ trước khi so con số — cùng một máy công bố ở k = 1 sẽ có ppm nhỏ hơn một nửa mà không hề tốt hơn.
Cây quyết định khi chọn đồng hồ vạn năng để bàn
Đi theo thứ tự này thay vì bắt đầu từ số chữ số:
- Ngân sách sai số của phép đo là bao nhiêu? Lấy dung sai của thứ cần kiểm rồi chia cho tỉ số chấp nhận được giữa dung sai và độ không đảm bảo đo. Đó mới là yêu cầu ppm thật.
- Giá trị đo nằm ở đâu trong thang? Nếu buộc phải đo thấp trong thang, tính lại theo công thức hai thành phần — có thể phải chọn máy tốt hơn một bậc chỉ vì lý do này.
- Chu kỳ hiệu chuẩn dự kiến bao lâu? Chọn cột tương ứng, không dùng cột 24 giờ để lập kế hoạch cho một năm.
- Môi trường ổn định nhiệt tới đâu? Xưởng sản xuất dao động nhiều thì chức năng tự hiệu chuẩn có giá trị thật; phòng lab điều hoà ổn định thì lợi ích nhỏ hơn.
- Máy này có phải làm chuẩn chuyển cho máy khác không? Nếu có, bài toán đổi hẳn sang nhóm 8½ chữ số với độ tuyến tính và độ chính xác truyền là chỉ tiêu chính, chứ không phải sai số một năm.
Thiết bị trong danh mục Techmaster
Ba bậc trong chuỗi, tương ứng ba vai trò khác nhau:
- Keysight 34461A — 6½ chữ số, sai số DCV 35 ppm trong một năm, 1.000 số đọc/giây. Máy đo đa dụng cho bàn thí nghiệm và kiểm tra sản xuất thông thường.
- Keysight 34470A — 7½ chữ số, sai số DCV 16 ppm trong một năm, 50.000 số đọc/giây, có tự hiệu chuẩn. Dùng khi ngân sách sai số bị siết hoặc khi cần vừa nhanh vừa chính xác.
- Keysight 3458A — 8½ chữ số, tới 100.000 số đọc/giây, độ chính xác truyền 0,1 ppm. Đây là máy của phòng hiệu chuẩn, không phải máy của bàn thí nghiệm.
Kỹ thuật đo dòng rất nhỏ và điện trở rất lớn đi theo một nhánh khác, với yêu cầu về dòng rò và che chắn hoàn toàn riêng — chủ đề này được bàn trong bài Đo dòng rò cao thế và điện trở cách điện cho vật liệu bán dẫn.
Kết luận
Ba câu để mang về bàn làm việc. Số chữ số là độ phân giải màn hình, không phải độ chính xác — ba máy 6½ chữ số có thể chênh nhau hai lần rưỡi về sai số. Một dòng thông số luôn có hai thành phần, và thành phần theo thang đo khiến độ chính xác hiệu dụng xấu đi nhanh khi tín hiệu nằm thấp trong thang. Và mọi con số ppm đều là tương đối so với chuẩn hiệu chuẩn, nên sai số tuyệt đối chỉ tồn tại khi có chuỗi truy xuất phía sau nó.
Mắt xích cuối cùng đó là dịch vụ, không phải thiết bị. Techmaster Electronics vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam. Để trao đổi về chu kỳ hiệu chuẩn, ngân sách độ không đảm bảo đo hoặc cấu hình máy phù hợp, liên hệ hotline 0908 173 345.
