Hiệu chuẩn là quá trình kiểm tra và thiết lập mối quan hệ giữa giá trị đo được của một thiết bị với giá trị chính xác của một thiết bị chuẩn có độ tin cậy cao. Nói cách khác, nó giống như việc so sánh một chiếc cân với một quả cân tiêu chuẩn để đảm bảo rằng cân đo đúng trọng lượng. Mục đích của hiệu chuẩn là đảm bảo thiết bị đo hoạt động chính xác, giúp duy trì chất lượng, an toàn và độ tin cậy trong các hệ thống đo lường. Hiệu chuẩn thường được thực hiện định kỳ (3 tháng, 6 tháng, 1 năm) và không bắt buộc theo luật. Trong tiếng Anh, hiệu chuẩn có từ tương đương là calibration/ calibrate.

Khi nói đến hiệu chuẩn, người ta cũng thường nhắc đến kiểm định là hình thức kiểm tra bắt buộc theo luật định, và thường được dán tem của đơn vị có chức năng kiểm định. Trong khi đó, hiệu chuẩn thì có thể được thực hiện bởi các kỹ sư trong nhà máy. Trong tiếng Anh, từ verification tức là kiểm định theo tiêu chuẩn (chẳng hạn như ISO) có ý nghĩa khác so với nghĩa “kiểm định” tại Việt nam có tính chất bắt buộc theo luật (luật cao hơn tiêu chuẩn), điều này gây khá nhiều bối rối khi sử lẫn lộn giữa từ kiểm định bởi và từ verificated by. Có nên chăng khi nói đến “kiểm định”, ta cần nhấn mạnh tính bắt buộc bằng cách dùng từ tương đương “legal mandatory verification”? Có 1 lưu ý nữa là trên tem kiểm định luôn có ngày hết hạn kiểm định.

Quay lại với hiệu chuẩn, quá trình hiệu chuẩn bao gồm việc đo thử thiết bị cần kiểm tra, so sánh kết quả với thiết bị chuẩn, và ghi lại sai số (nếu có). Trong một số trường hợp, thiết bị có thể được điều chỉnh (hiệu chỉnh) để đo chính xác hơn, nhưng việc điều chỉnh này không phải lúc nào cũng là một phần bắt buộc của hiệu chuẩn. Nói một cách khác, việc so sánh thiết bị đo với thiết bị chuẩn và việc hiệu chỉnh là hai việc khác nhau. Vì thế, kết quả hiệu chuẩn sẽ giúp kỹ sư quyết định có cần phải hiệu chỉnh thiết bị hay không?

Tại sao thiết bị đo cần phải hiệu chuẩn định kỳ?

Các thiết bị đo thường được hiệu chuẩn ở nhà máy để xác định chất lượng đã cam kết trong yêu cầu bán hàng. Tuy nhiên, theo thời gian, các sai lệch có thể xảy ra do nhiều yếu tố khác nhau như trôi (drift), do môi trường, nguồn điện, sự thay đổi quy trình công nghệ,… Các sai lệch này gây ra sai số trong phép đo, các sai số đó có thể là:

Sai số khoảng đo (Span error) là sự chênh lệch giữa khoảng đo thực tế và khoảng đo lý tưởng của một thiết bị đo.

Trên biểu đồ hiệu chuẩn đầu vào/đầu ra, sai số khoảng đo được thể hiện bằng một đường as-found không song song với đường lý tưởng, tức là độ dốc của hai đường này khác nhau. Điều này có nghĩa là thiết bị không duy trì tỷ lệ chính xác giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra trong toàn bộ phạm vi đo.

Sai số điểm không hay trôi điểm zero (Zero error/drift) trên biểu đồ hiệu chuẩn đầu vào/đầu ra được đặc trưng bởi một đường as-found song song với đường lý tưởng. Điều này cho thấy có một độ lệch cố định (offset) trong toàn bộ dải đo của thiết bị. Sai số không xảy ra khi thiết bị không hiển thị giá trị 0 khi tín hiệu đầu vào bằng 0, dẫn đến một sai lệch đồng nhất trên tất cả các phép đo. Nguyên nhân có thể do hiệu chuẩn không chính xác, sai lệch cơ học hoặc trôi điện tử.

Sai số này không làm thay đổi độ dốc của đường hiệu chuẩn mà chỉ gây ra một sự dịch chuyển đồng nhất (offset) trong toàn bộ dải đo, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị đo lường và điều khiển.

Sai số khoảng đo kết hợp sai số do trôi điểm zero có thể được hiệu chỉnh được, các thiết bị đo luôn được trang bị tính năng chỉnh về điểm không (zeroing) và điều chỉnh khoảng đo.

Sai số phi tuyến (non-linearization error): khi các điểm đo không còn nằm trên đường tuyến tính ban đầu, mà phân bố theo đường cong, thì đây là sai số tuyến tính và có thể hiệu chỉnh nếu thiết bị có chức năng tuyến tính hóa đường giá trị đo. Nếu không có tính năng này, và biên độ của đường cong nằm ngoài sai số cho phép thì thiết bị đo cần được thay thế.

Các loại hiệu chuẩn:

Hiệu chuẩn toàn bộ một vòng điều khiển (Loop Calibration)

Hiệu chuẩn vòng điều khiển kiểm tra toàn bộ hệ thống đo lường từ cảm biến, bộ truyền tín hiệu (transmitter), hệ thống dây dẫn, mô-đun đầu vào của hệ thống điều khiển, v.v. Quá trình này giúp đảm bảo rằng tất cả các thiết bị trong vòng điều khiển này hoạt động chính xác cùng nhau và sai số tích lũy không vượt quá mức cho phép. Ví dụ như hiệu chỉnh vòng điều khiển đo nhiệt độ bao gồm cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detector), bộ truyền tín hiệu nhiệt độ và mô-đun đầu vào của hệ thống điều khiển. Hiệu chuẩn vòng lặp sẽ kiểm tra toàn bộ hệ thống để đảm bảo rằng giá trị nhiệt độ đo được từ RTD, sau khi truyền qua bộ transmitter và được đọc bởi hệ thống điều khiển, vẫn nằm trong giới hạn sai số cho phép của quá trình. Nếu có sai lệch, hiệu chuẩn giúp xác định xem sai số bắt nguồn từ cảm biến, bộ truyền tín hiệu hay hệ thống điều khiển.

Hiệu chuẩn này thường được áp dụng trong bảo trì ngăn ngừa, nếu hiệu chuẩn cho ra sai số nằm ngoài sai số chấp nhận, hiệu chuẩn từng thiết bị sẽ được thực hiện.

Hiệu chuẩn từng thiết bị (Individual Calibration)

Hiệu chuẩn từng thiết bị tập trung vào một thiết bị đo riêng lẻ, chẳng hạn như cảm biến hoặc bộ truyền tín hiệu, mà không liên quan đến các thiết bị khác trong hệ thống. Thiết bị được so sánh với một chuẩn đo lường để kiểm tra độ chính xác và có thể được điều chỉnh nếu cần thiết. Ví dụ ta có thể hiệu chuẩn một bộ truyền áp suất (pressure transmitter) bằng cách cách ly bộ transmitter này khỏi quy trình công nghệ (bằng van cô lập), sau đó dùng bơm áp suất đã được kiểm định, giả lập các giá trị áp suất và kiểm tra kết quả đầu ra bằng bộ đo dòng (Đo dòng 4-20mA) để xác nhận độ chính xác của thiết bị transmitter.

Hiệu chuẩn phòng thí nghiệm (Bench Calibration)

Hiệu chuẩn tại phòng thí nghiệm được thực hiện trong một môi trường được kiểm soát, chẳng hạn như phòng thí nghiệm hoặc xưởng bảo trì. Trong quá trình này, thiết bị được tháo khỏi hệ thống và kiểm tra bằng các thiết bị chuẩn có độ chính xác cao. Việc hiệu chuẩn trong điều kiện tiêu chuẩn giúp xác định chính xác sai số của thiết bị do đã loại trừ các điều kiện sai số khác do nhiệt độ, áp suất tại hiện trường tạo ra và thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Khi tôi còn làm việc như một kỹ sư đo đếm thương mại (fiscal metering engineer), vì tính chất quan trọng của độ chính xác và độ lặp lại của các thiết bị đo, nên các bên liên quan đến mua bán dầu và khí thường tiến hành hiệu chuẩn tại phòng thí nghiệm, tôi phải gửi thiết bị đo lưu lượng khí nguyên lý siêu âm (USM) đến phòng thí nghiệm tại Mỹ. Tại đây, họ sẽ lắp thiết bị đo lưu lượng của tôi vào hệ thống có sẵn của họ và hiệu chuẩn, công tác này tôi hay gọi là hiệu chuẩn ướt (wet calibration) tức là hiệu chuẩn khi có khí ở phòng thí nghiệm đi qua thiết bị với áp suất và nhiệt độ được kiểm soát, và phân biệt với hiệu chuẩn khô (dry calibration) là  việc đo đạc các bộ thu phát (transducer) sóng siêu âm và nhập thông số hiệu chuẩn. Bộ lưu lượng đo dầu nguyên lý coriolis cũng phải gửi về phòng thí nghiệm để hiệu chuẩn ướt, hoặc một hình thức khác là các bên hiệu chuẩn sẽ đưa thiết bị chuẩn (prover) để hiệu chuẩn thiết bị tại hiện trường với lưu chất có nhiệt độ và áp suất được kiểm soát.

Hiệu chuẩn tại hiện trường (Field Calibration)

Hiệu chuẩn tại hiện trường được thực hiện ngay tại vị trí lắp đặt của thiết bị mà không cần tháo rời. Phương pháp này giúp đảm bảo rằng thiết bị đo hoạt động chính xác trong điều kiện thực tế của quá trình. Hiệu chuẩn tại hiện trường thường được sử dụng để kiểm tra nhanh, bảo trì định kỳ hoặc khi việc tháo thiết bị ra khỏi hệ thống là không khả thi.