Lecture1_Qualities Of Measurements

10/28/2024
VIETNAM GENERAL CONFEDERATION OF LABOUR
TON DUC THANG UNIVERSITY
FALCULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING
DEPARTMENT OF AUTOMATION & CONTROL ENGINEERING 403033
Measurements and Analytical Software Lecture 1
Qualities of Measurements
(Chất l ượng đo l ường) D r. V o Ta n P h u o c Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 1 1
L e c t u re 1 - Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
– C h ấ t L ư ợ n g Đ o l ư ờ n g Learning Outcomes
• Understand basic concepts of measurement, measurement units and
standards. (Hiểu các khái niệm cơ bản của đo lường, hệ đơn vị đo và các tiêu chuẩn)
• Identify types of errors in measurement, their causes, and methods to mitigate
them. (Xác định các loại sai số phép đo, nguyên nhân và phương pháp khắc phục)
• Determine the technical specifications of measuring instruments. (Xác định các
đặc tính kỹ thuật của thiết bị đo)
• Calculate quality indicators for measurements. (Tính toán các chỉ số chất lượng của phép đo) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 2 2 1 10/28/2024
L e c t u re 1 - Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
– C h ấ t L ư ợ n g Đ o l ư ờ n g Content
• 1.1. Introduction (Giới thiệu)
• 1.2. Quantity, Unit, Standard (Đại lượng, Đơn vị, tiêu chuẩn)
• 1.3. Errors in Measurement ( Sai số trong đo lường)
• 1.4. Instrument Characteristics (Đặc tính của thiết bị đo)
Performance Characteristics (Chỉ tiêu chất lượng phép đo)
• 1.5. Statistical Analysis (Phân tích thống kê kết quả đo)
• 1.6. Significant Figures (Chữ số có nghĩa )
• 1.7. Limiting Errors (Sai số giới hạn)
• 1.8. Worst possible combination of errors (Sai số kết hợp) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 3 3
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
Physical quantity or quantity
is a physical property of a material or a system that can be
measured, eg. can be expressed as a product of a real value and a unit of measurement
Example 1: a ball has circumference of 0.03 m, has a mass of 2 kgs …
the mass is a quantity which is 2 x 1 kg where 1 kg is the unit of measurement To sum up Quantity Unit Name Symbol Name Symbol Mass m kilogram kg Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 4 4 2 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Đại lượng vật lý, Đơn vị đo và Chuẩn mẫu Đại lượng vật lý
Đại lượng vật lý là tính chất vật lý của một vật chất hoặc một hệ
thống có thể đo đạc đươc, có nghĩa là được biểu diễn bằng tích
một số thực và một đơn vị đo
Ví dụ 1: Một trái banh có chu vi 0.03 m, có khối lượng là 2 kgs
Khối lượng là một đại lượng vật lý được biểu diễn bằng 2 x 1 kg trong đó
1 kg là đơn vị đo của khối lượng Tóm tắt
Đại lượng vật lý Đơn vị đo Tên Ký hiệu Tên Ký hiệu Khối lượng m kilogram kg Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 5 5
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Unit
is a realized by a reference to a material standard or to a natural
phenomena including physical and atomic constant.
Example 2: a ball has a mass of 2 kgs.
it means the weight of the ball is measured by comparing to 2 platinum
iridium alloys. The mass of each alloy is 1 kilogram.
The unit of measurement is kilogram which is referred to the material standard
(Platinum Iridium Alloy). The Pt Ir is chosen since its weight keep constant over the time. Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 6 6 3 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Đơn vị đo
Đơn vị đo được hình thành bằng cách so sánh với 1 vật liệu mẫu
hoặc 1 hiện tượng tự nhiên có bao gồm các hằng số vật lý hoặc hằng số nguyên tử.
Ví dụ 2: một trái banh có trọng lượng là 2 kgs
có nghĩa là trọng lượng của trái banh được so sánh với 2 đơn vị chuẩn là 2
khối kim loại platinum iridium (Pt Ir). Khối lượng của 1 khối là 1 kg.
Đơn vị đo của khối lượng là kilogram, được so sánh với vật liệu chuẩn là
( Khối kim loại chuẩn Platinum Iridium ). Vật liệu Pt Ir được chọn vì trong lượng của
nó gần như không thay đổi theo thời gian. Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 7 7
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Unit
is a realized by a reference to a material standard or to a natural
phenomena including physical and atomic constant.
Example 3: a table has the length of 1 meter.
it means the length of the table is measured by comparing to a
referenced standard meter bar which has the distance between two
ends equal to the path travelled by light in vacuum during a time
interval with duration of 1/c of a second. c = 299 792 458 m/s is a physical constant (speed of light) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 8 8 4 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Đơn vị đo
Đơn vị đo được hình thành bằng cách so sánh với 1 vật liệu mẫu
hoặc 1 hiện tượng tự nhiên có bao gồm các hằng số vật lý hoặc hằng số nguyên tử.
Ví dụ 3 : chiều dài đo được của 1 cái bàn là 1 mét
có nghĩa là chiều dài của cái bàn được so sánh với cây thước chuẩn có
chiều dài 2 đầu là 1 mét, tương đương với quãng đường ánh sáng đi được trong
chân không trong thời gian 1/c giây. c = 299 792 458 m/s là vận tốc ánh sáng
chú ý là đơn vị chuẩn chiều dài mới được điều chỉnh lại vào năm 2018 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 9 9
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Standard
is a physical representation to define, indicate or maintain the unit of measurement
Figure 1: (Left) Standard Kilogram alloy
(Right) Standard Meter bar Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 10 10 5 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
Chuẩn hoặc Chuẩn mẫu
Là một thực thể vật lý bao gồm vật liệu mẫu, thiết bị, hay hệ thống
đo để định nghĩa, thể hiện, duy trì cho đơn vị đo
Hình 1: (Trái) Chuẩn mẫu khối lượng 1 kg
(Phải) Chuẩn mẫu độ dài 1 mét Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 11 11
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard – Sum Up
Physical quantity or quantity (đại lượng vật lý)
is a physical property of a material or a system that can be measured, eg. can
be expressed as a product of a real value and a unit of measurement Unit (Đơn vị đo)
is a realized by a reference to a material standard or to a natural phenomena
including physical and atomic constant.
Standard (Chuẩn hoặc Chuẩn mẫu)
is a physical representation of a unit of measurement Quantity Unit Name Symbol Name Symbol Mass m kilogram kg Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 12 12 6 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Đại lượng vật lý, Đơn vị đo và Chuẩn mẫu – Tóm tắt
Physical quantity or quantity (đại lượng vật lý)
Đại lượng vật lý là tính chất vật lý của một vật chất hoặc một hệ thống có thể
đo đạc đươc, có thể định lượng bằng tích của một số thực với đơn vị đo. Unit (Đơn vị đo)
Đơn vị đo được hình thành bằng cách so sánh với 1 vật liệu mẫu hoặc 1 hiện
tượng tự nhiên có bao gồm các hằng số vật lý hoặc hằng số nguyên tử
Standard (Chuẩn hoặc Chuẩn mẫu)
Là một thực thể vật lý bao gồm vật liệu mẫu, thiết bị, hay hệ thống đo để định
nghĩa, thể hiện, duy trì cho đơn vị đo Tóm tắt
Đại lượng vật lý Đơn vị đo Tên Ký hiệu Tên Ký hiệu Khối lượng m kilogram kg Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 13 13
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
Quantity has different unit systems Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 14 14 7 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
Cùng một đại lượng vật lý có nhiều đơn vị đo khác nhau Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 15 15
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
The Meter Convention has taken place on May 20, 1875
• to “assure the international unification and improvement of the metric system”
• to establish an international organization called BIPM which continues to be to
facilitate the standardization of measurements world-wide
• established International System of Unit (SI) in 1960
BIPM – International Bureau Organize Conference
CGPM – General Conference of Weights and Measures Each 4 years of Weights and Measures Member State 64 countries Associate 36 countries Admin. board Organize meeting at BIPM
- Elect 18 admin members each year
- Build up 10 consultative committees
CIPM – International Committee of Weights and Measures Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 16 16 8 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
Hiệp ước Mét được 40 quốc gia cùng ký kết vào ngày 20 tháng 5 năm 1875
• Để thống nhất và cải tiến đơn vị đo
• Thành lập Văn Phòng Quốc Tế và trọng lương và đo lường – BIPM để quảng bá
các tiêu chuẩn đo lường ra khắp thế giới
• Thành lập Hệ đơn vịn chuẩn quốc tế International System of Unit (SI) 1960
BIPM – International Bureau Organize Conference
CGPM – General Conference of Weights and Measures Each 4 years of Weights and Measures Member State 64 countries Associate 36 countries Admin. board Organize meeting at BIPM
- Elect 18 admin members each year
- Build up 10 consultative committees
CIPM – International Committee of Weights and Measures Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 17 17
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI) Vietnam
• utilized SI under Decree 186 - 1964
• considered SI as Vietnam’s Legal System of Unit under Decree 65 - 2001
• became associate of CGPM in 2003 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 18 18 9 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI) Vietnam
• Công bố sử dụng hệ SI là đơn vị đo lường quốc gia NĐ186/1964
• Công bố hệ SI là đơn vị đo lường hợp pháp NĐ 65/2001
• Đăng ký là quan sát viên của CGPM vào năm 2003 Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 19 19
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
Vietnam – Commission for Standards, Metrology and Quality
(Ủy Ban Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng Quốc Gia - TCVN) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 20 20 10 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Quantity, Unit and Standard
International System of Unit (SI) - Hệ Đo Lường Quốc Tế (SI)
Basic and Derived Unit (Đơn vị cơ bản và Đơn vị dẫn xuất)
• Quantities consists of base quantities and derived quantities. Consequently,
unit also has base units and derived units
• All other SI units can be derived from these, by multiplying together different powers of the base units. Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 21 21
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s Basic and Derived Units Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 22 22 11 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Quantity, Unit and Standard
Different level of standards – Các loại chuẩn đo lường
• International Standard defined by BIPM – international level
• Primary standard (chuẩn đầu) ➢ Highest accuracy ➢ Maintained by TCVN
➢ Do not use outside VMI - TCVN
• Secondary standard (chuẩn thứ)
➢ Maintained by Quatest or Professional Agency
➢ Calibrated and verified periodically by Primary Standard
• Working Standard (chuẩn công tác)
➢ Use to calibrate and verify instrument, material standard in laboratory, in manufactory
➢ Calibrated and verified periodically by Secondary Standard Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 23 23
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Đại lượng vật lý, Đơn vị đo và Chuẩn mẫu
Các loại chuẩn đo lường
• Chuẩn quốc tế được quy định bởi BIPM – cấp độ quốc tế
• Chuẩn đầu (Primary standard)
➢ Cấp độ chính xác cao nhất
➢ Được đảm bảo bởi Ủy ban Tiêu chuẩn Đo lường và chất lượng Quốc Gia TCVN
➢ Không được sử dụng ngoài Viện đo lường Việt nam VMI
• Chuẩn thứ (Secondary standard)
➢ Duy trì bởi Quatest or Các tổ chức pháp nhân đo chuyên nghiệp
➢ Được hiệu chỉnh và chứng nhận định kỳ bằng chuẩn đầu
• Chuẩn công tác (Working Standard) (chuẩn công tác)
➢ Dúng để hiệu chỉnh và chứng nhận các thiệt bị đo, vật liệu chuẩn
trong phòng thí nghiệm hay nhà máy
➢ Được hiệu chuẩn và chứng nhận định kỳ bằng chuẩn thứ Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 24 24 12 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.1 Introduction – Terminology
• Measure (v): đo đạc
• Measurement (n): phép đo
• Instrument(n): thiết bị đo
• Instrumentation (n): Kỹ thuật đo
• Physical quantity (n) = quantity (n) : đại lượng vật lý • Error (n): sai số
• Interference (n): nhiễu loạn, công hưởng (physic) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 25 25
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Introduction – Basic Concepts Measurement:
Process of quantifying a physical, such as voltage, current, resistance,
or capacitance.,.. using appropriate instruments and units of measurement.
Example 4: measure the length of any objects using ruler
(đo chiều dài của các vật thể dùng thước) Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 26 26 13 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Giới thiệu – Các khái niệm cơ bản
Phép đo – Đo lường (Measurement):
Quá trình đánh giá định lượng đại lượng vật lý cần đo như là điện áp,
dòng điện, điện trở … sử dụng dụng cụ và đơn vị đo phù hợp.
Ví dụ 4: đo chiều dài của các vật thể dùng thước Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 27 27
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Introduction – Basic Concepts Measurement
• monitors a process / an operation or controls process
• is important , e.g. measurement quality reflects job performances • is subjected to error
• need improving (measurement) qualities, e.g. reduces errors and interferences Instrumentation
• a technology of measurement
• serves almost human endeavors, such as engineering, medicine … Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 28 28 14 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Giới thiệu – Các khái niệm cơ bản Phép đo
• Giám sát hoặc điều khiển một quá trình / một hoạt động
• Mang ý nghĩa quan trọng trong việc giám sát và điều khiển.
(chất lượng phép đo phản ánh chất lượng của công việc)
• Luôn luôn kèm theo sai số đo.
• Cần được cải thiện chất lượng , có nghĩa là giảm sai số hoặc mọi hiện tượng
ảnh hưởng đến kết quả đo
Kỹ thuật đo (Instrumentation)
• Là toàn bộ quá trình, công nghệ thực hiện phép đo
• Phục vụ gần như mọi lĩnh vực trong cuộc sống ví dụ trong kỹ thuật, trong y học Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 29 29
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Introduction – Basic Concepts Calibration:
Operation that, under specified conditions,
in a first step, establishes a relation between
the quantity values with measurement uncertainties provided by measurement standards and
corresponding indications with associated measurement uncertainties (of the calibrated
instrument or secondary standard)
and, in a second step, uses this information to establish a relation for obtaining a
measurement result from an indication.
Zero calibrated point: the process of establishing a baseline reference point of
the equipment against which all measurements are taken. Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 30 30 15 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.2 Giới thiệu – Các khái niệm cơ bản
Hiệu chỉnh (Calibration):
Là một thao tác, dưới các điều kiện cụ thể,
bước đầu tiên, thiết lập một sự liên hệ giữa
giá trị của đại lượng vật lý được đo đạc với độ chính xác của chuẩn đầu hoặc mẫu chuẩn
với chỉ thị tương ứng của máy đo đang được hiệu chỉnh với độ chính xác của chuẩn thấp hơn
(chuẩn thứ hoặc chuẩn thấp hơn mẫu chuẩn),
bước kế tiếp, dùng kết quả so sánh ở bước đầu để thiết lập độ chính xác của thiết bị
đang được hiệu chỉnh và đưa ra kết quả đo tương ứng của thiết bị đang được hiệu
chỉnh dựa vào chỉ thị của nó.
Zero-point calibration: là quá trình thiết lập điểm quy chiếu chuẩn cho tất cả các phép đo Sep 202
được 4thực hiện sau đó.
403033 _ Measurements and Analytical Software 31 31
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Error in Measurement
• Measurement Result = “True value” or “Expected Value” + Error
• Any measurement is affected by interferences (disturbances), results rarely reflect the expected value
• Due to the measuring instruments themselves
• Due to person using the instruments • Error of measurements
• The degree to which a measurement result nears the expected value
• expressed either as absolute or as percentage of error Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 32 32 16 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Sai số trong đo lường
• Kết quả đo = “Giá trị thực” hay “Giá trị mong đợi” + Sai số
• Mọi phép đo đều bị ảnh hưởng bởi nhiễu (các nhân tố tác động vào phép đo), kết
quả của phép đo ít khi rơi vào giá trị mong đợi
• Vì ảnh hưởng của máy đo hay thiết bị đo
• Vì ảnh hưởng của người thực hiện phép đo
• Sai số trong đo lường
• Chênh lệch giá trị kết quả đo so với giá trị mong đợi
• Biểu diễn bằng sai số tuyệt đối hay phần trăm sai số Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 33 33
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Error in Measurement - Gross Error Cause
• Due to human mistakes (improper use of instruments)
• Incorrect adjustment of instruments • Computational mistakes Overcome or Minimize
• Taking proper care in reading and recording
• Follow the process of manufacturer • Multi observations Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 34 34 17 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Sai số trong đo lường - Sai số chủ quan Nguyên nhân
• Do lỗi chủ quan của con người (áp dụng quy trình đo chưa hợp lý)
• Tinh chỉnh máy đo, sử dụng thang đo không phù hợp • Tính toán sai
Khắc phục hoặc giảm thiểu
• Đọc ghi kết quả đo cẩn thận, áp dụng đúng quy trình
• Áp dụng đúng chỉ dẫn của thiết bị, khuyến nghị nhà sản xuất
• Thực hiện nhiều phép đo Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 35 35
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Error in Measurement - Gros Error – Example Zero adjustment reading setup Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 36 36 18 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Sai số trong đo lường - Sai số chủ quan - Ví dụ Chỉnh zero Đọc giá trị đo Thiết lập phép đo Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 37 37
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Error in Measurement - Systematic Error
• Due to shortcomings of the instrument: ageing or effects of the environment. • Referred to as bias.
• Influence all measurements alike
❖Instrumental errors:
Due to mechanical structures: friction, improper handling, overloading, spring tension,… Can be avoided by
➢ Selecting a suitable instrument.
➢ Applying correction factors.
➢ Calibrating the instruments Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 38 38 19 10/28/2024
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Sai số trong phép đo – Sai số hệ thống
• Do lỗi của thiết bị đo: sử dụng lâu ngày (lão hóa) hay bị ảnh hưởng của môi trường
• Là độ lệch (bias) trong đo đạc thực tế
• Ảnh hưởng đến tất cả các phép đo như
❖ (Sai số thiết bị đo) Instrumental errors:
Do các cấu trúc cơ khí: ma sát, sử dụng bảo quản không đúng cách, quá tải, tãi lực lò xo …
Có thể tránh hoặc giảm thiểu bằng cách
➢ Chọn đúng thiết bị.
➢ Sử dụng đúng tầm, đúng hệ số của thiết bị.
➢ Hiệu chuẩn thiết bị. Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 39 39
Q u a l i t i e s o f M e a s u re m e nt s
1.3 Error in Measurement - Systematic Error
❖ Environmental Errors
Due to external conditions: temperature, humidity, barometric pressure,
magnetic, electrostatic fields,… Can be avoided by ➢ Air conditioning ➢ Magnetic shields ❖ Observation errors
Introduced by the habits of observers: reading and estimation when
obtaining a reading from a meter scale
Can be avoided by carefully observing and reading Sep 2024
403033 _ Measurements and Analytical Software 40 40 20