Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô-đun Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (Mã mô-đun: TĐH19MĐ07) được biên soạn theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Bà Rịa – Vũng Tàu). Nhóm tác giả biên soạn gồm Nguyễn Xuân Thịnh (Chủ biên), Phạm Thị Thu Hường và Tô Minh Dần thuộc Tổ Kỹ thuật Điện và Tự động hóa.

Trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, mô-đun này giữ vị trí môn học chuyên ngành bắt buộc, được bố trí giảng dạy sau các môn học nền tảng là Thiết bị đo lường (TĐH19MH05) và Bản vẽ thiết bị đo lường (TĐH19MH06). Khối lượng học tập của mô-đun gồm 5 tín chỉ với tổng thời lượng 120 giờ, phân bổ thành 28 giờ lý thuyết, 87 giờ thực hành/thảo luận và 05 giờ kiểm tra đánh giá.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể qua hệ thống chuẩn đầu ra:

  • Chuẩn đầu ra kiến thức (A1–A4): Xác định bản chất quá trình hiệu chuẩn, phương pháp hiệu chuẩn 5 điểm, quy cách lập biên bản kỹ thuật; mô tả các thiết bị chuẩn và quy trình hiệu chuẩn thiết bị khí nén, thiết bị tương tự; giải thích cấu trúc, nguyên lý hiệu chuẩn transmitter thông minh chuẩn giao thức HART; phân tích cơ chế làm việc của transducer và bộ định vị van điều khiển.
  • Chuẩn đầu ra kỹ năng (B1–B4): Thực hiện đúng quy trình hiệu chuẩn transmitter áp suất (kiểu khí nén, tương tự, thông minh), transmitter nhiệt độ, bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) và bộ định vị van (khí nén, điện – khí nén, kỹ thuật số); hoàn thành đầy đủ biểu mẫu và biên bản kiểm định.
  • Chuẩn đầu ra năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính cẩn trọng, tuân thủ quy trình an toàn lao động công nghiệp và thực hiện vệ sinh công nghiệp sau khi kết thúc công việc.

Cấu trúc giáo trình gồm 04 bài học theo tiến trình từ nguyên lý cơ bản đến các dòng thiết bị chấp hành và truyền thông số trong công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành 4 bài học chuyên đề có tính liên kết chặt chẽ:

  • Bài 1: Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (15 giờ: 14h lý thuyết, 01h kiểm tra): Cung cấp các khái niệm nền tảng về dải đo (range), khoảng đo (span), điểm zero, điểm span; nguyên lý duy trì tính liên kết chuẩn (traceability) với các tổ chức đo lường quốc gia (như NIST); phương pháp tính toán giá trị tại các điểm tỷ lệ phần trăm theo công thức: $$\text{Giá trị} = (\text{Giá trị lớn nhất} - \text{Giá trị nhỏ nhất}) \times % + \text{Giá trị nhỏ nhất}$$ Phương pháp hiệu chuẩn 5 điểm khảo sát qua 9 mốc chu trình ($0% \rightarrow 25% \rightarrow 50% \rightarrow 75% \rightarrow 100% \rightarrow 75% \rightarrow 50% \rightarrow 25% \rightarrow 0%$) nhằm xác định sai số và độ trễ (hysteresis) của thiết bị; quy cách lập hồ sơ và lưu trữ dữ liệu hiệu chuẩn.

  • Bài 2: Hiệu chuẩn các thiết bị kiểu khí nén và kiểu tương tự (64 giờ: 4h lý thuyết, 58h thực hành, 2h kiểm tra):

    • Thiết bị khí nén: Phân tích nguyên lý cân bằng lực (đòn bẩy, điểm tựa fulcrum, cơ cấu nozzle-flapper, rơle khí nén) của transmitter chênh áp (DP) khí nén đo lưu lượng, áp suất, mức (như dòng Foxboro 13A, Siemens dòng 50 với các dải đo $0\text{–}50$, $0\text{–}225$, $0\text{–}850\text{ inH}_2\text{O}$); thiết bị tạo áp và đo chuẩn (Fluke 719, GE Druck DPI 620-IS, Crystal HPC40, Wally Box); quy trình 7 bước cách ly, xả áp, cân bằng áp suất tĩnh và hiệu chuẩn transmitter khí nén chuẩn $3\text{–}15\text{ psi}$ ($20\text{–}100\text{ kPa}$). Phân tích cơ cấu giãn nở nhiệt bằng ống mao dẫn (capillary) chứa khí Heli trong transmitter nhiệt độ khí nén.
    • Thiết bị điện tử tương tự ($4\text{–}20\text{ mA}$): Ứng dụng bộ hiệu chuẩn vòng đa năng Fluke 725 với chức năng tự động tăng bước (auto-step) và tăng tuyến tính (auto-ramp); hiệu chuẩn transmitter chênh áp Rosemount dòng 1151DP; tính toán thủy tĩnh học trong đo mức bồn hở, bồn kín có áp suất với lắp đặt chân khô (dry leg) và chân ướt (wet leg); thiết lập điểm zero âm (suppressed zero) theo dải đo: $$\text{Range} = e \text{ đến } (e + h)$$ với $e = Y \times sg$, $h = X \times sg$; thiết lập điểm zero dương (elevated zero) theo dải đo: $$\text{Range} = (e - s) \text{ đến } (e + h - s)$$ với $s = Z \times sg_2$; quy trình 9 bước căn chỉnh vít zero/span trên Rosemount 1151 range 4 (dải $0\text{–}100\text{ inH}_2\text{O}$, sai số cho phép $\pm 0,032\text{ mA}$); hiệu chuẩn transmitter nhiệt độ tương tự kết nối cảm biến cặp nhiệt điện (TC) và nhiệt điện trở (RTD) sử dụng thiết bị mô phỏng Fluke 724/725.

  • Bài 3: Transmitter thông minh (26 giờ: 4h lý thuyết, 22h thực hành): Khái niệm mô tả đặc tính thiết bị (factory characterization), bảng tra (look-up table) và hàm truyền (transfer function tuyến tính hoặc căn bậc hai); cấu trúc và ứng dụng của giao thức truyền thông HART (Highway Addressable Remote Transducer do Rosemount phát triển và quản lý bởi HART Communication Foundation); nguyên lý điều chế tín hiệu số tần số thấp chồng lên đường truyền dòng điện $4\text{–}20\text{ mA}$; phân tích cấu trúc 3 tầng chức năng bên trong thiết bị HART:

    • Tầng vào: Bộ biến đổi A/D, chuyển đổi số đếm thô sang giá trị biến quá trình (PV), hiệu chỉnh cảm biến (sensor trim).
    • Tầng giữa: Tính toán chuyển đổi toán học PV sang tín hiệu số mA qua hàm truyền, không yêu cầu hiệu chuẩn.
    • Tầng ra: Bộ biến đổi D/A, chuyển đổi giá trị số sang dòng $4\text{–}20\text{ mA}$ vật lý, hiệu chỉnh dòng điện vòng (current loop trim / D/A trim). Quy trình cấu hình và hiệu chuẩn bằng thiết bị giao tiếp HART cầm tay và thiết bị tích hợp Fluke 754 kết hợp bơm tay áp suất.

  • Bài 4: Transducer và bộ định vị van (15 giờ: 6h lý thuyết, 7h thực hành, 2h kiểm tra): Nguyên lý làm việc và quy trình hiệu chuẩn bộ chuyển đổi tín hiệu dòng sang áp suất (Transducer I/P) từ $4\text{–}20\text{ mA}$ sang $3\text{–}15\text{ psi}$; cấu tạo và phương pháp hiệu chỉnh liên kết phản hồi cơ khí của bộ định vị van khí nén Fisher dòng 3582, bộ định vị điện – khí nén Fisher dòng 3582i; cấu trúc sơ đồ khối và nguyên lý điều khiển của bộ định vị kỹ thuật số (bộ điều khiển van số) Fisher FIELDVUE DVC6000.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình trang bị hệ thống lý thuyết đo lường chuyên sâu:

  1. Lý thuyết đo lường và liên kết chuẩn: Khái niệm tính liên kết chuẩn (traceability) theo hệ thống NIST, các tiêu chuẩn hiệu chuẩn định kỳ thiết bị kiểm tra trước khi thực hiện thao tác trên thiết bị quá trình.
  2. Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cơ - điện - khí nén: Nguyên lý cân bằng lực cơ học flapper-nozzle, nguyên lý giãn nở thể tích khí mao dẫn theo nhiệt độ, mạch cầu điện trở RTD, hiệu ứng nhiệt điện TC, nguyên lý chuyển đổi A/D và D/A trong mạch vi xử lý.
  3. Mô hình tính toán thủy tĩnh học trong đo mức: Phương pháp phân tích cột áp suất thủy tĩnh ($P = h \cdot \rho \cdot g$), kỹ thuật xử lý sai lệch do hiện tượng ngưng tụ khí gas bằng phương pháp lắp đặt chân ướt, và thuật toán tính toán bù điểm zero âm/dương.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Sử dụng thành thạo các thiết bị đo/phát tín hiệu chuẩn (Fluke 719, Fluke 724, Fluke 725, Fluke 754, GE Druck DPI 620-IS); thực hiện đấu nối nguồn vòng (loop power), mô phỏng tín hiệu mV/TC/RTD/mA/áp suất; căn chỉnh cơ khí nút zero/span và giao tiếp số với thiết bị HART.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Tính toán thông số dải đo lý thuyết dựa trên các biến số công nghệ (chiều cao cột chất lỏng $X, Y, Z$ và tỷ trọng $sg, sg_1, sg_2$); đánh giá đường đặc tính sai số, phát hiện hiện tượng trễ cơ khí hoặc trôi điểm zero; phân lập lỗi giữa các tầng chức năng A/D, xử lý số và D/A.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Thực hiện chính xác quy trình an toàn cách ly thiết bị khỏi hệ thống công nghệ đang vận hành; thực hiện thao tác xả áp, cân bằng van phân phối (manifold); lập biên bản kiểm định kỹ thuật theo đúng biểu mẫu tiêu chuẩn công nghiệp.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp đào tạo tích hợp giữa lý thuyết và thực hành, lấy kỹ năng thực tế làm trọng tâm:

  • Phương pháp giảng dạy: Giảng viên sử dụng phối hợp các phương pháp giảng dạy tích cực như diễn giảng chuyên sâu, vấn đáp kỹ thuật và dạy học giải quyết vấn đề (problem-based learning). Thời lượng thực hành chiếm ưu thế với $87/120\text{ giờ}$ (tương đương 72,5% tổng thời lượng mô-đun). Giảng viên giảng dạy tập trung đối với các nội dung lý thuyết và chia ca thực hành tại phòng thực hành thiết bị đo lường để đảm bảo từng sinh viên được thao tác trực tiếp trên thiết bị.
  • Tổ chức học tập và thảo luận nhóm: Người học được phân thành các nhóm nhỏ từ 6 đến 8 thành viên. Giảng viên cung cấp trước chủ đề thảo luận và bài tập tình huống kỹ thuật (ví dụ: tính toán khoảng đo bồn áp suất chân ướt, quy trình xử lý transmitter Rosemount 1151 bị lệch điểm làm việc). Mỗi thành viên trong nhóm nhận phân công chịu trách nhiệm từng phần nội dung trước khi tổng hợp và báo cáo.
  • Bài tập và đánh giá thực hành: Các bài tập yêu cầu người học tự tính toán thông số kỹ thuật, mô phỏng tín hiệu ngõ vào và đo đạc ngõ ra tại các mốc 3 điểm ($0%, 50%, 100%$) hoặc 5 điểm ($0%, 25%, 50%, 75%, 100%$), đối chiếu với sai số cho phép của nhà sản xuất (như ngưỡng $\pm 0,032\text{ mA}$ đối với transmitter dòng điện).
  • Phương pháp đánh giá kết quả: Hệ thống kiểm tra đánh giá được phân định rõ ràng theo tiến trình học tập:
    • Đánh giá thường xuyên: 02 bài (vấn đáp chuyên môn, kiểm tra viết dưới 30 phút hoặc kiểm tra thao tác thực hành đột xuất).
    • Đánh giá định kỳ: 05 bài kiểm tra chuyên biệt:
      • Bài số 1: Kiểm tra lý thuyết Bài 1 (45 phút, đáp ứng CĐR A1).
      • Bài số 2: Kiểm tra thực hành hiệu chuẩn thiết bị khí nén trong Bài 2 (60 phút, đáp ứng CĐR B1, C1, C2, C3).
      • Bài số 3: Kiểm tra thực hành hiệu chuẩn thiết bị tương tự trong Bài 2 (60 phút, đáp ứng CĐR B2, C1, C2, C3).
      • Bài số 4: Kiểm tra lý thuyết tổng hợp Bài 2, Bài 3, Bài 4 (45 phút, đáp ứng CĐR A2, A3, A4).
      • Bài số 5: Kiểm tra thực hành Bài 3 và Bài 4 (60 phút, đáp ứng CĐR B3, B4, C1, C2, C3).
    • Thi kết thúc mô-đun: Thời gian từ 60 đến 120 phút theo hình thức tích hợp lý thuyết (vấn đáp/viết/trắc nghiệm) và thực hành trực tiếp tại trạm thiết bị chuyên môn, đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra từ A1 đến C3.
  • Yêu cầu tự học: Người học phải nghiên cứu trước giáo trình và tài liệu kỹ thuật, tự giác thực hiện bài tập cá nhân, tham dự tối thiểu 70% các buổi học lý thuyết (vắng quá 30% tổng số tiết lý thuyết buộc phải học lại mô-đun).

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh tính hệ thống và gắn liền với các tiêu chuẩn đào tạo kỹ thuật công nghiệp hiện đại:

  • Nguồn tài liệu tham khảo chuẩn quốc tế: Giáo trình được xây dựng trên cơ sở nâng cấp tài liệu nội bộ năm 2017 của tác giả Nguyễn Xuân Thịnh, kết hợp trích xuất và cập nhật từ bộ tài liệu đào tạo nghề chuẩn quốc tế của Tổ chức Trung tâm Quốc gia về Đào tạo và Nghiên cứu Xây dựng Hoa Kỳ (NCCER – National Center for Construction Education and Research), bao gồm các bộ giáo trình:
    • NCCER, Instrumentation Level 2, Trainee Guide, 3rd edition, Nhà xuất bản Pearson Education, Inc., New York, Mỹ, 2015.
    • NCCER, Instrumentation Level 3, Trainee Guide, 3rd edition, Nhà xuất bản Pearson Education, Inc., New York, Mỹ, 2015.
    • NCCER, Instrumentation Level 4, Trainee Guide, 3rd edition, Nhà xuất bản Pearson Education, Inc., New York, Mỹ, 2015.
  • Tích hợp đồng bộ các thế hệ công nghệ đo lường: Giáo trình không chỉ giới hạn ở các thiết bị điện tử mới mà phân tích song song 3 thế hệ công nghệ đang đồng thời vận hành trong các nhà máy công nghiệp:
    1. Thế hệ khí nén cơ học: Dòng Foxboro 13A, Siemens dòng 50, bộ kiểm chuẩn Wally Box của Wallace & Tiernan (nay thuộc WIKA Instrument, LP).
    2. Thế hệ tương tự điện tử: Dòng Rosemount 1151DP với dải điều chỉnh span linh hoạt từ điểm lớn nhất đến $1/6$ dải đo, tính năng zero âm đến 500% và zero dương đến 600%.
    3. Thế hệ thông minh và điều khiển kỹ thuật số: Thiết bị chuẩn truyền thông HART, thiết bị hiệu chuẩn Fluke 754, bộ định vị van kỹ thuật số Fisher FIELDVUE DVC6000.
  • Bám sát thực tế sản xuất ngành dầu khí và công nghiệp chế biến: Các mô hình tính toán áp suất thủy tĩnh chân khô, chân ướt, bù sai lệch nhiệt độ và quy trình an toàn cách ly thiết bị được thiết kế dựa trên các tình huống vận hành thực tế tại các nhà máy lọc hóa dầu, công trình khai thác khí và các cơ sở công nghiệp năng lượng.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống đào tạo nghề và kỹ thuật công nghiệp:

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên theo học hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Đo lường và Điều khiển Tự động.
  • Điều kiện tiên quyết đối với người học: Để tiếp thu được nội dung mô-đun TĐH19MĐ07, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học tiên quyết trong khung chương trình:
    • An toàn Tự động hóa (Mã: TĐH19MĐ01)
    • Điện tử cơ bản (Mã: TĐH19MĐ02)
    • Đo lường điện (Mã: KTĐ19MĐ08)
    • Thiết bị đo lường (Mã: TĐH19MH05)
    • Bản vẽ thiết bị đo lường (Mã: TĐH19MH06)
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Giảng viên chuyên ngành Đo lường – Tự động hóa sử dụng tài liệu để biên soạn bài giảng lý thuyết, thiết kế phiếu hướng dẫn thực hành xưởng, lập phiếu đánh giá kỹ năng tay nghề và xây dựng ngân hàng đề thi tích hợp.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Kỹ thuật viên bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị đo lường tại các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp có thể sử dụng giáo trình như một tài liệu tra cứu kỹ thuật về quy trình cân chỉnh thiết bị khí nén, công thức tính toán mức thủy tĩnh và quy trình hiệu chỉnh thiết bị HART.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế cho sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, kỹ thuật viên đo lường và điều khiển quá trình (Instrumentation Technicians) cần chuẩn hóa kiến thức và kỹ năng hiệu chuẩn thiết bị hiện trường.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học mô-đun này?

Người học cần hoàn thành môn Thiết bị đo lường (hiểu nguyên lý các loại cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng), môn Bản vẽ thiết bị đo lường (đọc hiểu bản vẽ P&ID, sơ đồ vòng điều khiển loop diagram), môn Đo lường điện, Điện tử cơ bản và môn An toàn Tự động hóa.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết đo lường chung là gì?

Giáo trình tập trung chuyên biệt vào kỹ năng thực hành thao tác hiệu chuẩn (chiếm 72,5% tổng thời lượng). Cung cấp các quy trình từng bước (step-by-step) trên các dòng thiết bị công nghiệp điển hình (Foxboro 13A, Rosemount 1151, Fluke 725/754, Fisher 3582, Fisher DVC6000) và làm rõ bản chất cấu trúc 3 tầng hiệu chuẩn của thiết bị truyền thông số HART.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần đọc trước nội dung từng bài, chủ động làm các bài tập tính toán phần trăm khoảng đo và bài toán thủy tĩnh đo mức bồn hở/bồn kín (tính $e, s, h$). Trong giờ thực hành xưởng, cần bám sát quy trình an toàn cách ly thiết bị, thực hiện đủ 9 mốc kiểm tra của phương pháp 5 điểm và hoàn thành biểu mẫu biên bản hiệu chuẩn tương ứng.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào được khuyến nghị kèm theo giáo trình?

Tài liệu tham khảo chính khóa gồm có: giáo trình nội bộ Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (2017) của tác giả Nguyễn Xuân Thịnh; bộ tài liệu đào tạo NCCER Instrumentation Level 2, Level 3, Level 4 (Trainee Guide, 3rd Edition, Pearson Education, 2015) và tài liệu hướng dẫn kỹ thuật (manuals) của các thiết bị Fluke 725, Fluke 754, Rosemount 1151DP, Fisher FIELDVUE DVC6000.

Kết luận

Giáo trình Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp tài liệu đào tạo chuẩn mực về quy trình kiểm định, căn chỉnh và bảo dưỡng các thiết bị đo lường trong công nghiệp tự động hóa. Nội dung giáo trình bao quát từ các nguyên lý đo lường cơ bản, phương pháp tính toán thủy tĩnh, đến quy trình hiệu chuẩn thực tế cho các thiết bị khí nén, thiết bị tương tự $4\text{–}20\text{ mA}$, transmitter thông minh giao thức HART và các cơ cấu định vị van chấp hành.

Lộ trình học tập được thiết kế khoa học: người học tiếp cận từ bài học nền tảng về khái niệm sai số và phương pháp hiệu chuẩn 5 điểm (Bài 1), rèn luyện kỹ năng thực hành trên thiết bị khí nén và tương tự (Bài 2), làm chủ quy trình cấu hình và hiệu chỉnh thiết bị số HART (Bài 3), và hoàn thiện kỹ năng trên hệ thống transducer cùng bộ định vị van điều khiển (Bài 4). Nguồn tư liệu tham khảo từ tổ chức quốc tế NCCER (Pearson Education) cùng hệ thống thiết bị thực hành tiêu chuẩn giúp người học hình thành đầy đủ năng lực nghề nghiệp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tại các cơ sở công nghiệp.