Sai số và độ không đảm bảo khác nhau thế nào?

Nói ngắn gọn: sai số nói kết quả đo lệch bao nhiêu so với giá trị tham chiếu; độ không đảm bảo nói mức độ chưa chắc chắn của kết quả đo là bao nhiêu.

Sai số trong đo lường là gì?

Theo cách hiểu chuẩn trong đo lường, sai số đo là hiệu giữa giá trị đại lượng đo được và giá trị đại lượng tham chiếu tương ứng. Vì vậy, sai số phụ thuộc vào việc có một giá trị tham chiếu thích hợp để so sánh.

Có thể biểu diễn khái quát:

Sai số = Giá trị đo − Giá trị tham chiếu

Chẳng hạn, nếu một thiết bị đo cho kết quả 10,12 V trong khi giá trị tham chiếu là 10,00 V thì sai số là:

10,12 − 10,00 = 0,12 V

Dấu của sai số có ý nghĩa: dấu dương cho thấy kết quả đo cao hơn giá trị tham chiếu, còn dấu âm cho thấy kết quả đo thấp hơn.

Sai số có thể được xem xét dưới các dạng như sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống. Tuy nhiên, trong thực tế giá trị sai số thực thường không biết chính xác vì giá trị thực hoặc giá trị tham chiếu hoàn toàn phù hợp có thể không được biết.

Điểm quan trọng là không thể lấy một con số độ không đảm bảo rồi gọi nó là sai số. Hai đại lượng mô tả hai khía cạnh khác nhau của phép đo.

Độ không đảm bảo đo biểu thị điều gì?

Độ không đảm bảo đo là một tham số không âm dùng để đặc trưng cho độ phân tán của các giá trị đại lượng có thể được quy cho đại lượng cần đo dựa trên thông tin hiện có.

Nó phản ánh những nguồn chưa chắc chắn trong quá trình tạo ra kết quả đo, chẳng hạn:

·         Độ phân giải của thiết bị

·         Độ lặp lại của phép đo

·         Hiệu chuẩn thiết bị

·         Điều kiện môi trường

·         Phương pháp đo

·         Các đại lượng đầu vào ảnh hưởng đến kết quả

·         Mô hình đo và dữ liệu được sử dụng

Vì vậy, độ không đảm bảo không đơn giản là "mức sai số tối đa".

Một kết quả có thể được báo cáo theo dạng:

x = 10,12 V ± 0,10 V

Trong đó 0,10 V là độ không đảm bảo mở rộng nếu quy trình đánh giá đã xác định nó theo quy ước tương ứng. Nó cho người đọc biết mức độ không chắc chắn gắn với kết quả 10,12 V, chứ không khẳng định rằng sai số thực tế chắc chắn bằng ±0,10 V.

Điểm khác nhau cốt lõi giữa sai số và độ không đảm bảo

Có thể phân biệt hai khái niệm theo các tiêu chí sau:

Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng khi báo cáo kết quả đo: một phép đo có độ không đảm bảo nhỏ không tự động có nghĩa là sai số bằng không, và một sai số quan sát được cũng không phải là độ không đảm bảo.

Vì sao sai số và độ không đảm bảo không thể dùng thay thế cho nhau?

Hai khái niệm khác nhau vì chúng trả lời hai câu hỏi khác nhau.

Sai số trả lời:

"Kết quả đo lệch bao nhiêu so với giá trị tham chiếu?"

Độ không đảm bảo trả lời:

"Kết quả đo còn chứa mức độ chưa chắc chắn nào dựa trên thông tin hiện có?"

Ví dụ, một phép đo cho kết quả 10,12 trong khi giá trị tham chiếu là 10,00. Khi đó sai số quan sát được là 0,12.

Nhưng giả sử kết quả được đánh giá có độ không đảm bảo mở rộng 0,10. Hai con số này không có cùng ý nghĩa:

·         0,12 mô tả độ lệch so với giá trị tham chiếu

·         0,10 mô tả độ không đảm bảo gắn với kết quả đo

Không thể kết luận rằng "sai số là 0,10" chỉ vì độ không đảm bảo bằng 0,10.

Ngược lại, nếu chưa biết giá trị tham chiếu phù hợp thì cũng không thể đơn giản lấy độ không đảm bảo để suy ra sai số thực tế.

Sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống liên quan thế nào đến độ không đảm bảo?

Sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống mô tả các nguồn gây lệch hoặc biến thiên của phép đo, trong khi độ không đảm bảo là cách định lượng mức độ chưa chắc chắn của kết quả sau khi xem xét các nguồn ảnh hưởng thích hợp.

Sai số ngẫu nhiên thường thể hiện qua sự biến thiên giữa các lần đo lặp lại. Sự biến thiên này có thể được đánh giá thống kê và đóng góp vào độ không đảm bảo.

Sai số hệ thống lại có tính chất khác: một hiệu ứng hệ thống có thể làm các kết quả lệch theo cùng một hướng. Khi có thông tin về hiệu ứng đó, người thực hiện đo có thể áp dụng hiệu chỉnh; phần chưa chắc chắn liên quan đến hiệu chỉnh vẫn có thể đóng góp vào độ không đảm bảo.

Do đó, không nên cộng máy móc mọi "sai số" thành một con số rồi gọi kết quả đó là độ không đảm bảo. Độ không đảm bảo phải được xây dựng từ mô hình đo, dữ liệu và phương pháp đánh giá phù hợp.

Ví dụ thực tế để phân biệt hai khái niệm

Giả sử một phòng thí nghiệm đo chiều dài của một mẫu.

Kết quả đo:

L = 100,20 mm

Giá trị tham chiếu:

Lref = 100,00 mm

Khi đó:

Sai số = 100,20 − 100,00 = 0,20 mm

Nếu sau khi đánh giá các nguồn không chắc chắn, phòng thí nghiệm xác định độ không đảm bảo mở rộng là:

U = 0,30 mm

thì hai con số được hiểu như sau:

·         0,20 mm: kết quả đo cao hơn giá trị tham chiếu 0,20 mm

·         0,30 mm: mức độ không đảm bảo được gắn với kết quả đo theo phương pháp đánh giá đã sử dụng

Không thể nói phép đo "có sai số 0,30 mm" chỉ vì U = 0,30 mm.

Tương tự, cũng không thể nói kết quả chắc chắn sai đúng 0,20 mm trong một phép đo thông thường nếu giá trị tham chiếu chỉ là một giá trị có độ không chắc chắn riêng.

Khi báo cáo kết quả đo nên dùng khái niệm nào?

Nếu mục tiêu là đánh giá mức độ lệch của một thiết bị hoặc phép đo so với một giá trị tham chiếu, khái niệm sai số là phù hợp.

Nếu mục tiêu là báo cáo một kết quả đo cùng mức độ tin cậy hoặc chưa chắc chắn gắn với kết quả, cần sử dụng độ không đảm bảo đo.

Trong báo cáo đo lường, hai thông tin này có thể cùng xuất hiện nhưng phải được diễn giải đúng vai trò. Các hướng dẫn đo lường quốc tế như VIM và GUM phân biệt rõ khái niệm error với measurement uncertainty và đặt chúng trong những vai trò khác nhau của quá trình biểu diễn, đánh giá và báo cáo kết quả đo.

Điều này cũng giải thích vì sao một báo cáo hiệu chuẩn hoặc đo kiểm không nên chỉ ghi một khoảng ± rồi gọi đó là "sai số" nếu thực chất con số đó là độ không đảm bảo.

Cách ghi nhớ nhanh sự khác nhau

Có thể nhớ bằng một quy tắc đơn giản:

Sai số = Độ lệch

Độ không đảm bảo = Mức độ chưa chắc chắn

Nếu có một giá trị tham chiếu để so sánh, câu hỏi "kết quả lệch bao nhiêu?" hướng đến sai số.

Nếu câu hỏi là "kết quả này đáng tin cậy đến mức nào và còn phân tán trong phạm vi nào theo phương pháp đánh giá?", đó là vấn đề của độ không đảm bảo.

Hai khái niệm có liên quan chặt chẽ trong đo lường nhưng không đồng nghĩa và không thể thay thế cho nhau.

Hiểu đúng sai số và độ không đảm bảo giúp tránh một nhầm lẫn phổ biến trong đo lường: coi mọi con số dạng ± là sai số của thiết bị. Sai số mô tả độ lệch so với giá trị tham chiếu, còn độ không đảm bảo định lượng mức độ chưa chắc chắn của kết quả dựa trên thông tin và mô hình đo. Vì vậy, khi đọc hoặc lập báo cáo đo lường, cần xác định rõ con số đang được báo cáo là error, bias, standard uncertainty hay expanded uncertainty trước khi diễn giải ý nghĩa của nó.