Bản chất của ‘Chuẩn’ trong Đo lường: Tính liên kết chuẩn SI và ISO/IEC 17025

Key Summary

• Chuẩn đo lường là sự hiện thực hóa một đơn vị đo kèm theo giá trị đại lượng và độ không đảm bảo đo đã được xác định; từ ngày 20/05/2019, Hệ đơn vị quốc tế (SI) định nghĩa toàn bộ đơn vị cơ bản thông qua các hằng số tự nhiên bất biến.
• Tính liên kết chuẩn đo lường (metrological traceability) là thuộc tính bắt buộc của kết quả đo; thuộc tính này bảo đảm kết quả có thể quy chiếu về chuẩn quốc gia hoặc quốc tế thông qua chuỗi so sánh không đứt đoạn, đáp ứng trọn vẹn yêu cầu về tính liên kết chuẩn ISO 17025.
• Hiệu chuẩn và kiểm định là hai hoạt động có bản chất kỹ thuật và giá trị pháp lý hoàn toàn tách biệt; trong đó hiệu chuẩn cung cấp dữ liệu sai số thực tế để kỹ sư hiệu chỉnh hệ thống, còn kiểm định chỉ đưa ra kết luận đạt hoặc không đạt theo yêu cầu kỹ thuật đo lường nhằm phục vụ công tác quản lý nhà nước về đo lường.

Chuẩn đo lường là sự hiện thực hóa một đơn vị đo, kèm theo giá trị đại lượng và độ không đảm bảo đo đã được xác định, làm mốc quy chiếu cho mọi phép so sánh.

Một kết quả đo trên máy hiện sóng hay đồng hồ vạn năng trị giá hàng trăm triệu đồng hoàn toàn không thể đối chiếu hay sử dụng trong nghiệm thu nếu thiếu bằng chứng về tính liên kết chuẩn đo lường. Khi các phòng thí nghiệm hoặc đối tác sử dụng những thiết bị chưa được kiểm chuẩn thống nhất, những con số hiển thị trên màn hình dù có tốt đến đâu cũng không mang giá trị quy chiếu tin cậy. Vì vậy, chuẩn đo lường cần được tiếp cận dưới góc độ vật lý định lượng, bao gồm độ không đảm bảo đo được kiểm soát chặt chẽ, thay vì chỉ coi đó là một thủ tục hành chính thuần túy.

Ở nhiều đơn vị sản xuất và phòng thử nghiệm, tiêu chuẩn đo lường thường bị xem như một văn bản đóng dấu định kỳ để đối phó các đợt thanh tra; cách tiếp cận này khiến kỹ sư bỏ qua câu hỏi cốt lõi về ảnh hưởng của từng mắt xích đo lường vào sai số chung của cả dây chuyền. Khi không thiết lập được chuỗi liên kết minh bạch, mọi nỗ lực phân tích nguyên nhân lỗi sản phẩm hoặc tối ưu hóa dung sai chế tạo đều dễ rơi vào tình trạng mù mờ, thiếu dữ liệu lịch sử để tìm nguyên nhân cốt lõi.

Nhiều kỹ sư thường đặt câu hỏi metrological traceability là gì khi bắt đầu thiết lập quy trình kiểm chuẩn nội bộ; về thực chất, đây chính là chuỗi so sánh không đứt đoạn giúp mọi con số đo lường giữ nguyên giá trị quy chiếu tin cậy khi trao đổi giữa các bên. Hãy cùng T3 tìm hiểu về các chuẩn mực này qua bài viết dưới đây.

Chuẩn đo lường là gì? Bản chất vật lý đằng sau những con số

Theo Từ vựng Quốc tế về Đo lường học (VIM 3, JCGM 200:2012, mục 5.1), chuẩn đo lường là sự hiện thực hóa định nghĩa của một đại lượng đo cho trước; trong đó giá trị đại lượng và độ không đảm bảo đo kèm theo đều được xác định rõ ràng để làm mốc quy chiếu cho các phép so sánh. Định nghĩa này khẳng định hai thuộc tính vật lý không thể tách rời của chuẩn: giá trị định lượng và độ tin cậy của chính giá trị đó; do đó một vật thể chỉ mang giá trị số đơn thuần mà thiếu độ không đảm bảo đo thì chưa thể coi là một chuẩn đo lường.

Trong lịch sử đo lường học suốt 130 năm (1889-2019), đơn vị khối lượng từng phụ thuộc hoàn toàn vào một vật thể nhân tạo: quả cân hình trụ bằng hợp kim gồm 90% platin và 10% iridi theo khối lượng (IPK), được lưu giữ nghiêm ngặt tại Viện Cân đo Quốc tế (BIPM) ở Sèvres, Pháp (BIPM, 2019). Do bản chất là một khối kim loại hữu hình, khối lượng của quả cân IPK khó tránh khỏi hiện tượng biến động vật lý theo thời gian; các phép đo đối sánh định kỳ cho thấy độ lệch khối lượng giữa IPK và các bản sao chính thức đã trôi dạt khoảng 50 µg (Royal Society, 2011); hiện tượng này kéo theo sai lệch dây chuyền cho mọi thiết bị cân đo trên toàn thế giới truy xuất về nó.

Bước ngoặt mang tính cách mạng trong đo lường học diễn ra vào ngày 20/05/2019, khi các định nghĩa mới của kilôgam, ampe, kelvin và mol do Hội nghị Cân đo Toàn thể (CGPM) thông qua chính thức có hiệu lực; từ thời điểm này, toàn bộ 7 đơn vị cơ bản của Hệ đơn vị quốc tế (SI) đều được định nghĩa thông qua các giá trị cố định của những hằng số tự nhiên bất biến. Cụ thể, kilôgam (kg) được neo vào hằng số Planck h = 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s và được hiện thực hóa sơ cấp thông qua cân Kibble hoặc phương pháp mật độ tinh thể tia X (XRCD); mét (m) xác định theo vận tốc ánh sáng trong chân không c = 299 792 458 m/s; còn giây (s) gắn với tần số chuyển tiếp siêu tinh tế của nguyên tử xêzi-133 Δν_Cs = 9 192 631 770 Hz (BIPM, SI Brochure, ấn bản 9). Sự chuyển dịch này giải phóng đo lường học khỏi sự phụ thuộc vào vật mẫu duy nhất; nhờ đó, bất kỳ phòng thí nghiệm nào sở hữu đầy đủ năng lực công nghệ và thiết bị chuẩn hóa đều có thể tự hiện thực hóa đơn vị đo với độ chính xác cao nhất.

Tính liên kết chuẩn đo lường và chuỗi liên kết chuẩn SI

Trong hoạt động kiểm chuẩn và thử nghiệm công nghiệp, metrological traceability là gì và đóng vai trò như thế nào? Theo định nghĩa tại mục 2.41 của VIM 3, tính liên kết chuẩn đo lường là thuộc tính của kết quả đo cho phép kết quả đó được quy chiếu về các chuẩn tham chiếu xác định; quá trình này được thực hiện thông qua một chuỗi các phép hiệu chuẩn liên tục không bị đứt đoạn và được lập thành văn bản, trong đó mỗi phép hiệu chuẩn đều đóng góp vào độ không đảm bảo đo tổng thể.

Điều khoản 6.5 trong tiêu chuẩn ISO IEC 17025 trong đo lường quy định rõ ràng rằng phòng thí nghiệm phải thiết lập và duy trì tính liên kết chuẩn đo lường cho các kết quả của mình; đồng thời việc chứng minh tính liên kết chuẩn ISO 17025 đòi hỏi phòng thí nghiệm phải xác lập mối liên hệ đo lường trực tiếp hoặc gián tiếp với Hệ đơn vị quốc tế (SI).

Nguyên lý cơ bản chi phối toàn bộ chuỗi liên kết chuẩn đo lường là sự tích lũy độ không đảm bảo đo từ trên xuống dưới; qua mỗi mắt xích so sánh trung gian, độ không đảm bảo đo lại gia tăng do ảnh hưởng của nhiễu môi trường, độ trôi của thiết bị và sai số của chuẩn công tác. Do đó, vì độ không đảm bảo đo của chuẩn quy chiếu luôn đóng góp trực tiếp vào kết quả đo, độ không đảm bảo đo của thiết bị hiện trường ở Tầng 4 không thể nhỏ hơn chuẩn thứ cấp ở Tầng 3 dùng để hiệu chuẩn chính thiết bị đó (VIM 3, mục 5.1, chú thích 4).

Theo VIM 3 (JCGM 200:2012, mục 2.41, chú thích 7) và chính sách ILAC P10:07/2020, Tổ chức Công nhận Phòng thí nghiệm Quốc tế (ILAC) quy định thiết bị đo phải được hiệu chuẩn bởi các viện đo lường quốc gia tham gia CIPM MRA hoặc phòng hiệu chuẩn được tổ chức công nhận thuộc ILAC MRA thừa nhận; đồng thời quá trình xác lập tính liên kết chuẩn bắt buộc phải đáp ứng trọn vẹn 6 yếu tố cốt lõi:

1. Chuỗi so sánh không đứt đoạn: Đường dẫn so sánh đo lường phải bắt nguồn từ các chuẩn quốc gia hoặc quốc tế được thừa nhận và kết thúc trực tiếp tại thiết bị đo hiện trường.
2. Độ không đảm bảo đo được lượng hóa: Mọi mắt xích hiệu chuẩn trong chuỗi đều phải tính toán và công bố độ không đảm bảo đo theo phương pháp chuẩn mực của GUM (JCGM 100:2008).
3. Quy trình đo được văn bản hóa: Mọi thao tác đo kiểm, điều kiện môi trường và phương pháp tính toán đều phải được thực hiện theo quy trình kỹ thuật đã phê duyệt bằng văn bản.
4. Năng lực kỹ thuật được công nhận: Từng phòng thí nghiệm tham gia vào chuỗi hiệu chuẩn phải chứng minh năng lực kỹ thuật thông qua chứng nhận công nhận phù hợp tiêu chuẩn ISO/IEC 17025.
5. Tính quy chiếu về đơn vị SI: Điểm tựa tham chiếu cuối cùng của toàn bộ chuỗi so sánh bắt buộc phải dẫn xuất trực tiếp về các đơn vị cơ bản trong Hệ đơn vị quốc tế (SI).
6. Chu kỳ hiệu chuẩn được xác định hợp lý: Thiết bị phải được tái hiệu chuẩn theo khoảng thời gian xác định dựa trên đánh giá rủi ro trôi dạt kỹ thuật và tần suất vận hành thực tế.

Phân biệt hiệu chuẩn và kiểm định: hai khái niệm kỹ thuật và pháp lý khác nhau

Phân biệt hiệu chuẩn và kiểm định là yêu cầu bắt buộc đối với kỹ sư thiết kế hệ thống và quản lý chất lượng; sự nhầm lẫn giữa hai hoạt động này thường bắt nguồn từ việc cả hai đều cung cấp giấy tờ chứng nhận sau khi đo phương tiện đo, dù mục đích và nội dung kỹ thuật hoàn toàn khác nhau. Việc phân biệt hiệu chuẩn và kiểm định một cách thấu đáo giúp doanh nghiệp tránh lãng phí chi phí đầu tư thiết bị và tuân thủ đúng yêu cầu quản trị chất lượng.

Tiêu chí so sánh	Hiệu chuẩn (Calibration)	Kiểm định (Verification)
Bản chất kỹ thuật	Xác định mối quan hệ định lượng giữa giá trị chuẩn và số chỉ của thiết bị, kèm theo độ không đảm bảo đo U.	Đánh giá sự phù hợp của phương tiện đo so với yêu cầu kỹ thuật đo lường do cơ quan quản lý nhà nước ban hành.
Cơ sở pháp lý	Hoạt động kỹ thuật không nằm trong các biện pháp kiểm soát bắt buộc đối với phương tiện đo nhóm 2 theo Điều 19 Luật Đo lường, nhưng có thể là yêu cầu bắt buộc theo hợp đồng thương mại, tiêu chuẩn hệ thống (ISO/IEC 17025, ISO 9001) hoặc quy định chuyên ngành.	Hoạt động bắt buộc theo Luật Đo lường 2011 (đã được sửa đổi, bổ sung) và Thông tư 23/2013/TT-BKHCN (đã được sửa đổi, bổ sung) đối với danh mục phương tiện đo nhóm 2 theo các hình thức (ban đầu, định kỳ, sau sửa chữa) quy định cho từng loại phương tiện đo.
Kết quả đầu ra	Giấy chứng nhận hiệu chuẩn kèm theo bảng số liệu sai số cụ thể và độ không đảm bảo đo tại từng điểm kiểm tra.	Giấy chứng nhận kiểm định và tem kiểm định; đưa ra kết luận đạt hoặc không đạt yêu cầu kỹ thuật đo lường (Luật Đo lường 2011, Điều 3 khoản 8).
Ứng dụng trong R&D và ATE	Cung cấp dữ liệu định lượng chính xác để nạp vào phần mềm bù sai số, hiệu chỉnh độ lệch và kiểm soát độ trôi hệ thống.	Xác nhận phương tiện đo đạt yêu cầu kỹ thuật đo lường để đưa vào sử dụng theo quy định; không cung cấp bảng dữ liệu sai số chi tiết để hiệu chỉnh phần mềm.

Trên thực tế, sai lầm phổ biến tại nhiều nhà máy là sử dụng tem kiểm định để thay thế cho chứng chỉ hiệu chuẩn trong các ứng dụng R&D và dây chuyền đo kiểm tự động đòi hỏi độ chính xác cao. Tem kiểm định chỉ xác nhận thiết bị đo nằm trong giới hạn sai số cho phép theo luật định tại thời điểm kiểm tra; trong khi đó tem này không cho biết giá trị sai lệch thực tế tại từng điểm đo, khiến kỹ sư không thể nạp bảng bù sai số vào phần mềm hay đánh giá độ không đảm bảo đo tích lũy của toàn hệ thống.

Vai trò của chuẩn đo lường trong tích hợp hệ thống và đo kiểm tự động

Trong các hệ thống đo kiểm tự động (ATE) vận hành liên tục nhiều ca sản xuất, độ trôi thông số của các module thu nhận tín hiệu PXIe và card ADC là nguyên nhân hàng đầu làm suy giảm độ tin cậy của phép đo; hiện tượng này khiến sai số tích lũy dần theo thời gian mà mắt thường không thể phát hiện. Mức độ trôi dạt này chịu tác động trực tiếp từ sự biến đổi nhiệt độ bên trong tủ rack, độ ẩm môi trường và hiện tượng lão hóa tự nhiên của linh kiện điện tử; do đó kỹ sư không thể áp dụng một giá trị sai số cố định mà phải theo dõi liên tục độ lệch đo lường.

Khi áp dụng tính liên kết chuẩn ISO 17025 vào kiến trúc trạm thử nghiệm tự động, TECOTEC Technologies thiết lập ba nguyên tắc kỹ thuật cốt lõi trong kiến trúc tích hợp:

• Tích hợp chuẩn công tác nội bộ: Các nguồn điện áp mẫu hoặc bộ tạo tần số chuẩn có độ ổn định cao được gắn trực tiếp vào cùng khung giá rack với thiết bị đo; nhờ đó hệ thống có thể thực hiện tự kiểm chuẩn tại chỗ giữa hai kỳ hiệu chuẩn định kỳ mà không cần tháo rời module.
• Tự động hóa kiểm tra và ghi nhận độ trôi: Phần mềm điều phối hệ thống được lập trình để tự động kích hoạt chu trình tự kiểm chuẩn vào đầu mỗi ca sản xuất; qua đó lưu vết lịch sử sai lệch của từng kênh đo liên tục và tự động áp dụng hệ số bù trừ phần mềm khi mà sai lệch vẫn nằm trong biên độ kiểm soát.
• Tối ưu hóa chu kỳ hiệu chuẩn dựa trên rủi ro: Thay vì áp dụng chu kỳ hiệu chuẩn một năm một cách cứng nhắc, T3 áp dụng hướng dẫn ILAC-G24 và OIML D 10:2022 để phân tích tốc độ trôi thực tế từ lịch sử đo kiểm; qua đó điều chỉnh khoảng thời gian hiệu chuẩn phù hợp với mức độ suy hao cụ thể của từng thiết bị.

Bên cạnh đó, các nguyên tắc trên tạo nên nền tảng kỹ thuật vững chắc cho năng lực tích hợp hệ thống đo kiểm của T3; bạn đọc có thể tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc phân tầng phần cứng và phần mềm đo kiểm tại bài viết về nền tảng tích hợp hệ thống đo kiểm.

Câu hỏi thường gặp về chuẩn đo lường

Chuẩn đo lường có thời hạn sử dụng bao lâu?

Chuẩn đo lường không có thời hạn sử dụng cố định theo hạn dùng của sản phẩm tiêu dùng, mà vận hành theo chu kỳ hiệu chuẩn; chu kỳ này được phòng thí nghiệm thiết lập dựa trên mức độ ổn định của thiết bị, tần suất hoạt động tại hiện trường và rủi ro trôi dạt thông số theo hướng dẫn quốc tế ILAC-G24 và OIML D 10:2022.

Phòng hiệu chuẩn khác gì phòng thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO IEC 17025 trong đo lường?

Phòng hiệu chuẩn có chức năng so sánh phương tiện đo với các chuẩn đo lường cấp cao hơn nhằm xác định sai số và độ không đảm bảo đo; trong khi đó, phòng thử nghiệm sử dụng các phương tiện đo đã được hiệu chuẩn đầy đủ để xác định các đặc tính cơ lý hóa hoặc hiệu năng của sản phẩm mẫu theo những tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên biệt. Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm về mối quan hệ và sự khác biệt bản chất giữa hai lĩnh vực này tại bài viết về phân biệt bản chất giữa đo lường và thử nghiệm.

Tại sao chứng nhận hiệu chuẩn bắt buộc phải công bố độ không đảm bảo đo kèm theo sai số?

Sai số đo lường chỉ phản ánh độ chênh lệch thuần túy giữa giá trị chỉ thị trên thiết bị và giá trị của chuẩn tại một điểm đo cụ thể; trong khi độ không đảm bảo đo thể hiện khoảng giá trị mà đại lượng đo thực tế nằm trong đó với một xác suất tin cậy xác định. Theo Điều khoản 7.8.4.1 của tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2017, chứng nhận hiệu chuẩn bắt buộc phải công bố độ không đảm bảo đo.

Các tài liệu liên quan

Bài viết tiếp theo trong chuỗi chuyên đề đo lường sẽ đi sâu vào việc ứng dụng độ không đảm bảo đo để giải bài toán vùng nghi ngờ trong nghiệm thu sản phẩm: Phân biệt Đo lường và Thử nghiệm: Trạng thái Pass/Fail không còn đủ để đảm bảo chất lượng trong Sản xuất.

Đồng thời, bạn đọc quan tâm đến các giải pháp thiết kế trạm thử nghiệm tự động có thể tham khảo bài viết về Tích hợp Hệ thống Đo kiểm: Năng lực Kỹ thuật Nền tảng cho Công nghiệp Chính xác.

Nguồn tham khảo

1. BIPM (2019). The International System of Units (SI Brochure), ấn bản 9, Bureau International des Poids et Mesures. https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
2. BIPM (2019). The International Prototype of the Kilogram and the History of the Kilogram, Bureau International des Poids et Mesures. https://www.bipm.org/en/history-si/kilogram
3. JCGM 200:2012. International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM 3rd edition), Joint Committee for Guides in Metrology. https://jcgm.bipm.org/vim/en/2.41.html (mục 2.41) và https://jcgm.bipm.org/vim/en/5.1.html (mục 5.1)
4. JCGM 100:2008. Evaluation of Measurement Data – Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), Joint Committee for Guides in Metrology. https://www.bipm.org/en/committees/jc/jcgm/publications
5. ISO/IEC 17025:2017. General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laboratories, International Organization for Standardization, Điều khoản 6.5 và 7.8.4. https://www.iso.org/standard/66912.html
6. ILAC P10:07/2020. ILAC Policy on Metrological Traceability of Measurement Results, International Laboratory Accreditation Cooperation. https://ilac.org/publications-and-resources/ilac-policy-series/ (văn bản đầy đủ: https://ilac.org/?ddownload=123220)
7. ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022. Guidelines for the Determination of Recalibration Intervals of Measuring Equipment, ILAC & OIML. https://www.oiml.org/en/files/pdf_d/d010-e22.pdf
8. Royal Society (2011). End of the Kilogram as We Know It, Royal Society News. https://royalsociety.org/news/2011/end-of-the-kilogram
9. Quốc hội nước Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam (2011). Luật Đo lường số 04/2011/QH13 (https://luatvietnam.vn/khoa-hoc/luat-do-luong-2011-66491-d1.html); Bộ Khoa học và Công nghệ, Thông tư 23/2013/TT-BKHCN (https://luatvietnam.vn/khoa-hoc/thong-tu-23-2013-tt-bkhcn-bo-khoa-hoc-va-cong-nghe-82187-d1.html) quy định về đo lường đối với phương tiện đo nhóm 2 (sửa đổi, bổ sung bởi Thông tư 07/2019/TT-BKHCN và Thông tư 03/2024/TT-BKHCN).