THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ MÔ TẢ HỌC THUẬT GIÁO TRÌNH THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Thiết bị đo lường (Mã môn học: TĐH19MH05) là tài liệu đào tạo chuyên môn bắt buộc thuộc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020. Giáo trình do ThS. Phạm Thị Thu Hường làm chủ biên, cùng các tác giả Nguyễn Xuân Thịnh và Đỗ Mạnh Tuân thuộc Khoa Điện – Tự động hóa biên soạn.

Trong tiến trình đào tạo, môn học có khối lượng 5 tín chỉ với tổng thời lượng 90 giờ (56 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận/bài tập, 4 giờ kiểm tra lý thuyết và 1 giờ kiểm tra thực hành). Vị trí môn học được bố trí sau mô-đun Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04), yêu cầu học viên hoàn thành môn học tiên quyết Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), đồng thời đóng vai trò kiến thức cơ sở trực tiếp cho mô-đun Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ10), Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07) và Lắp đặt hệ thống TĐH (TĐH19MĐ08, TĐH19MĐ09).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ qua ba nhóm chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1–A5): Chuyển đổi thành thạo các đơn vị đo hệ Anh sang hệ Mét; mô tả nguyên lý đo 4 đại lượng công nghiệp cơ bản (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng); nhận diện 4 thành phần trong kênh điều khiển quá trình; giải thích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến, phần tử đo thứ cấp, bộ biến đổi tín hiệu, bộ truyền tín hiệu, van điều khiển, cơ cấu chấp hành và bộ định vị van.
  • Kỹ năng (B1–B5): Nhận biết thiết bị đo theo thông số vật lý; xác định loại cặp nhiệt điện theo chuẩn đa năng và mã màu ISA; kết nối thiết bị truyền thông cầm tay với bộ truyền tín hiệu thông minh; lắp đặt bộ định vị cho van điều khiển; xác định hướng dòng chảy, hướng chuyển động của cần van và cụm đệm làm kín (packing) trên van cầu.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C2): Tuân thủ quy định an toàn lao động và thực hiện quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt trong môi trường đo lường tự động hóa.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 chương chuyên đề, tiếp cận từ quy chuẩn đo lường toán học - vật lý, phân tích chuyên sâu nguyên lý cảm biến sơ cấp/thứ cấp, kỹ thuật truyền đổi tín hiệu, cho đến các cơ cấu chấp hành cuối trong chu trình điều khiển tự động hóa công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và tiến trình logic của nội dung

  • Chương 1: Hệ đo lường Met (Metric system - 10 giờ): Cung cấp hệ thống đơn vị đo lường, quy tắc đổi đơn vị giữa hệ Anh (Imperial) và hệ Mét (SI). Nội dung bao gồm tính toán độ dài, diện tích, thể tích khô, thể tích ướt ($1\text{ lít} = 1\text{ dm}^3 = 1\text{ kg nước tinh khiết}$), khối lượng; phân biệt áp suất khí quyển ($14{,}7\text{ psi} = 101{,}325\text{ kPa} = 1{,}01325\text{ bar} = 29{,}92\text{ inHg}$), áp suất tương đối ($\text{psig}$, $\text{kPa(g)}$), áp suất tuyệt đối ($\text{psia}$, $\text{kPa(a)}$), áp suất thủy tĩnh ($P = \frac{hd}{144}$ trong hệ Anh và $P = hdg$ trong hệ Mét), áp suất chân không; quy đổi giữa 4 thang đo nhiệt độ: Fahrenheit ($^\circ\text{F}$), Celsius ($^\circ\text{C}$), Kelvin ($\text{K}$), Rankine ($^\circ\text{R}$) theo công thức: $$^\circ\text{C} = \frac{5}{9}(^\circ\text{F} - 32) \quad \text{và} \quad ^\circ\text{F} = 1{,}8 \cdot ^\circ\text{C} + 32$$

  • Chương 2: Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, mức và lưu lượng (20 giờ): Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương pháp đo trực tiếp 4 đại lượng công nghệ:

    • Nhiệt độ: Nhiệt kế lưỡng kim (dải lưỡng kim dạng lò xo cuộn xoắn), cặp nhiệt điện (TC - hiệu ứng Seebeck), cảm biến nhiệt điện trở (RTD), nhiệt điện trở (thermistor), hỏa kế hồng ngoại (Infrared Pyrometer với tỷ số khoảng cách/vùng đo $D:S$).
    • Áp suất: Áp kế chất lỏng (Manometer ống chữ U, dạng giếng, giếng nghiêng), ống Bourdon (dạng chữ C, xoắn ốc spiral, lò xo xoắn helical), hộp xếp (bellows), màng ngăn (diaphragm) và các thiết bị phụ trợ chống hỏng (bộ giảm sốc damper, bộ cách ly dạng màng, đồng hồ điền chất lỏng).
    • Mức: Phương pháp trực tiếp (que thăm, kính ngắm, phao - cáp, ống mô-men xoắn với bộ thế chỗ displacer, phao từ); phương pháp gián tiếp (đo bằng đầu dò dẫn điện, đầu dò điện dung trần/cách điện, cảm biến siêu âm, cảm biến radar không tiếp xúc và radar sóng dẫn đường GWR, hệ thống sục bọt khí).
    • Lưu lượng: Thiết bị đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp DP (tấm đục lỗ orifice, ống venturi, ống nozzle, ống pitot, ống Annubar) và các loại lưu lượng kế khác (lưu lượng kế va chạm khí nén, lưu lượng kế điện từ, lưu lượng kế tuabin, lưu lượng kế xoáy vortex, rotameter, lưu lượng kế khối lượng Coriolis).

  • Chương 3: Cảm biến, phần tử đo thứ cấp, bộ biến đổi và bộ truyền tín hiệu (30 giờ): Phân tích 4 thành phần trong vòng điều khiển quá trình. Đi sâu vào cấu trúc phần tử cảm biến sơ cấp, thứ cấp; bộ biến đổi tín hiệu điện áp/dòng điện và áp suất ($I/P$ và $P/I$), cảm biến biến dạng strain gauge ứng dụng mạch cầu Wheatstone, bộ biến áp vi sai biến thiên tuyến tính (LVDT), tinh thể áp điện; cấu tạo bộ truyền tín hiệu khí nén chênh áp dạng cân bằng lực (cơ cấu thanh lực, vòi phun - lá chắn flapper-nozzle, rơ-le khí nén); cấu tạo bộ truyền tín hiệu điện tử thông minh (Smart Transmitter) kết nối giao thức truyền thông qua thiết bị cầm tay chuyên dụng (Handheld Communicator).

  • Chương 4: Van điều khiển, cơ cấu chấp hành và bộ định vị van (20 giờ): Khảo sát van điều khiển cơ khí và cơ cấu chấp hành (actuator khí nén màng - lò xo, động cơ điện). Phân loại nguyên lý hoạt động an toàn khi mất nguồn cấp: Mở khi cấp nguồn / Đóng khi mất nguồn (Power-to-Open / Fail-Closed), Đóng khi cấp nguồn / Mở khi mất nguồn (Power-to-Close / Fail-Open), Giữ nguyên vị trí (Fail-as-Positioned). Phân tích cấu tạo và đáp ứng của bộ định vị van (bộ định vị tác động thuận/nghịch, bộ định vị khí nén, bộ định vị tương tự $I/P$, bộ định vị van kỹ thuật số thông minh Fisher). Hướng dẫn tra cứu thẻ tên van, chỉ số danh định áp suất - nhiệt độ, kết cấu trim bên trong thân van và nhận diện ký hiệu van trên bản vẽ P&ID.

  • Chương 5: Công tắc và thiết bị quang điện (10 giờ): Khái niệm, phân loại công tắc gắn panel, công tắc phao mức chất lỏng, công tắc mức phòng nổ, công tắc áp suất chênh, công tắc hành trình (limit switch), vi công tắc (microswitch), bộ chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR); nguyên lý tế bào quang điện (LDR), cảm biến quang quét trực tiếp và quét phản xạ; nguyên lý pin mặt trời, cảm biến hồng ngoại công nghiệp và cảm biến tiệm cận.

                    TIẾN TRÌNH XÂY DỰNG KIẾN THỨC

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Hệ thống lý thuyết nền móng: Lý thuyết đo lường và sai số học thuật (sai số góc nhìn do mắt parallax error, vùng trễ hysteresis loop); cơ chế chuyển pha nhiệt động học của chất lưu; định luật thủy tĩnh; nguyên lý Bernoulli và quan hệ chênh áp - lưu lượng dòng chảy ($Q \propto \sqrt{\Delta P}$).
  2. Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý - điện: Hiệu ứng Seebeck trong cặp nhiệt điện; sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ trong RTD/Thermistor; sự biến đổi điện dung theo mức môi chất thông qua hằng số điện môi; hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh; mạch cầu đo lực căng strain gauge; cân bằng lực cơ khí - khí nén giữa flapper và nozzle.
  3. Chuẩn hóa kỹ thuật công nghiệp: Bảng mã màu dây và ký hiệu cực tính cặp nhiệt điện theo tiêu chuẩn ISA (Bảng 3-3, Bảng 3-4); các tiêu chuẩn định mức thân van (Rating Designation) và nhận diện trim van (Bảng 4-2); quy ước ký hiệu đường ống và thiết bị trên sơ đồ P&ID.

Kỹ năng phát triển cho người học

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Chuyển đổi qua lại giữa đơn vị đo hệ Anh và hệ Mét cho các bài toán công nghệ thực tế (áp suất bồn chứa, lưu lượng khí $\text{cfm}$, chuyển đổi $^\circ\text{F} \leftrightarrow ^\circ\text{C}$).
  • Kỹ năng nhận diện và kiểm tra thiết bị: Nhận biết cấu trúc vật lý của từng loại cảm biến áp suất, mức, nhiệt độ, lưu lượng; xác định đúng loại cặp nhiệt điện dựa vào mã màu chuẩn ISA.
  • Kỹ năng cài đặt và hiệu chuẩn: Đấu nối và thiết lập thông số cho bộ truyền tín hiệu thông minh thông qua thiết bị giao tiếp cầm tay (Handheld Communicator); kiểm tra chức năng chuyển đổi của bộ biến đổi $I/P$, $P/I$.
  • Kỹ năng lắp đặt cơ khí - tự động: Lắp đặt và định cấu hình bộ định vị (khí nén, tương tự, kỹ thuật số) trên van điều khiển; xác định hướng dòng chảy qua thân van cầu, từ đó định hướng đúng chiều chuyển động của ty van và vòng đệm làm kín packing.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình dạy học tích cực, kết hợp lý thuyết với phân tích thiết bị thực tế và thực hành xưởng:

                  CƠ CẤU PHƯƠNG PHÁP ĐÀO TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ
  • Tiếp cận sư phạm: Giảng viên sử dụng phương pháp diễn giảng ngắn, đặt câu hỏi nêu vấn đề kỹ thuật và hướng dẫn sinh viên khai thác tài liệu kỹ thuật chuyên ngành. Phân chia học viên thành các nhóm nhỏ (5–6 người) để nghiên cứu các chủ đề được giao trước buổi học, tiến hành thảo luận, thuyết trình và lập báo cáo kỹ thuật.
  • Bài tập và bài tập tình huống (Case studies):
    • Chương 1: Xử lý bài toán quy đổi áp suất lốp xe ($\text{psi} \leftrightarrow \text{kPa}$), tính áp suất thủy tĩnh ở đáy bồn chứa nước cao $150\text{ feet}$ ($P = \frac{150 \times 62{,}43}{144} = 65\text{ psig}$), tính áp suất chân không tuyệt đối của đường ống dựa trên chỉ số áp kế khí quyển.
    • Chương 2 – 5: Nhận diện điều kiện xâm thực, hư hỏng của đồng hồ áp suất; lựa chọn tấm đục lỗ đo lưu lượng theo cấu trúc đường ống; phân tích sơ đồ đấu dây cảm biến tiệm cận và mạch điều khiển van.
  • Thực hành và cơ sở vật chất: Quá trình đào tạo sử dụng trực tiếp trang thiết bị tại:
    • Phòng thiết bị đo lường: Thao tác trên các loại cảm biến công nghiệp thực tế, đồng hồ Bourdon, cặp nhiệt điện, RTD, bộ biến đổi $I/P$.
    • Phòng DCS: Quan sát và vận hành mô hình nhà máy mô phỏng thu nhỏ, giám sát các vòng điều khiển quá trình.
    • Phòng Cơ – Điện tử: Khảo sát 8 trạm điều khiển chuyên dụng và hệ thống cảm biến quang, cảm biến tiệm cận.
  • Phương pháp đánh giá học phần:
    • Đánh giá thường xuyên: 02 bài (kiểm tra vấn đáp hoặc viết $\le 30\text{ phút}$).
    • Kiểm tra định kỳ: 05 bài, gồm:
      • Bài 1 (45 phút, trắc nghiệm/tự luận/báo cáo): Nội dung Chương 1 và 2 (Đánh giá CĐR A1, A2, C1).
      • Bài 2 (45 phút, trắc nghiệm/tự luận): Nội dung Chương 2 (Đánh giá CĐR A2, C1).
      • Bài 3 (45 phút, trắc nghiệm/tự luận): Nội dung Chương 3 (Đánh giá CĐR A3, C1).
      • Bài 4 (45 phút, trắc nghiệm/tự luận): Nội dung Chương 4 và 5 (Đánh giá CĐR A4, C1).
      • Bài 5 (60 phút, thực hành/bài tập): Nội dung Chương 2, 3, 4, 5 (Đánh giá CĐR B1, B2, B3, B4, B5, C1, C2).
    • Thi kết thúc môn học: Gồm phần thi trắc nghiệm (thời gian $60 \div 75\text{ phút}$) và phần thi thực hành (thời gian $60 \div 90\text{ phút}$).
  • Quy định tự học và chuyên cần: Người học phải tham gia tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% số tiết phải học lại môn học), chuẩn bị bài trước khi đến lớp và hoàn thành đầy đủ các bài tập nhóm.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Kế thừa và chuẩn hóa tài liệu quốc tế: Giáo trình được dịch, tổng hợp và biên soạn dựa trên bộ giáo trình nghề quốc tế của Trung tâm Giáo dục và Nghiên cứu Xây dựng Quốc gia Hoa Kỳ: Instrumentation Level 1, Level 2 (Third Edition, NCCER, 2015) và Instrumentation Level 3 (Third Edition, NCCER, 2016); đồng thời phát triển từ bản Giáo trình thiết bị đo lường lưu hành nội bộ năm 2017 của Tổ bộ môn Tự động hóa - Trường Cao đẳng Dầu khí.
  • Tích hợp công nghệ đo lường công nghiệp: Cung cấp thông số và nguyên lý của các thiết bị đo lường hiện đại sử dụng trong các nhà máy lọc hóa dầu và công nghiệp chế biến khí:
    • Bộ truyền tín hiệu thông minh (Smart Transmitter) hỗ trợ giao thức truyền thông số.
    • Cảm biến đo mức radar sóng dẫn đường GWR (Guided Wave Radar) và siêu âm.
    • Lưu lượng kế khối lượng Coriolis và lưu lượng kế từ tính.
    • Bộ điều khiển định vị van kỹ thuật số (Digital Valve Controller - Fisher).
  • Hệ thống dữ liệu kỹ thuật và sơ đồ tra cứu: Giáo trình tích hợp 76 hình vẽ kỹ thuật chi tiết cùng hệ thống 10 bảng dữ liệu quy chuẩn gồm:
    • Bảng mã màu dây cặp nhiệt điện theo chuẩn ISA (chuẩn hóa nhận diện dây dương, dây âm và màu vỏ bọc).
    • Bảng hằng số điện môi của các môi chất công nghiệp phục vụ thiết kế đầu dò đo mức.
    • Bảng định mức áp suất danh định của thân van (Rating Designation).
    • Danh mục ký hiệu van và đường ống chuẩn hóa trên bản vẽ P&ID.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                       ĐỐI TƯỢNG VÀ ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG
  • Học sinh, sinh viên: Áp dụng cho sinh viên trình độ Cao đẳng và học sinh trình độ Trung cấp chuyên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa. Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng về phần cứng đo lường công nghiệp trước khi học các môn học chuyên sâu về điều khiển quá trình và hệ thống SCADA/DCS.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học bắt buộc phải hoàn thành môn học Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), nắm vững kiến thức về mạch điện, định luật Ohm, định luật Kirchhoff và các nguyên lý đo lường điện cơ bản trước khi tham gia môn học này.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn 90 giờ; dùng hệ thống ngân hàng câu hỏi củng cố cuối mỗi chương, danh mục bài tập và đề mục chuẩn đầu ra (A1–A5, B1–B5) để xây dựng đề kiểm tra thường xuyên, đề thi định kỳ và phiếu đánh giá kỹ năng thực hành xưởng.
  • Kỹ thuật viên tại doanh nghiệp: Phù hợp làm tài liệu tra cứu kỹ thuật cho các kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng, hiệu chuẩn hệ thống đo lường tại các nhà máy dầu khí, hóa chất, nhiệt điện và xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ học sinh, sinh viên bậc Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa tại Trường Cao đẳng Dầu khí; đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên bảo dưỡng, lắp đặt thiết bị đo lường trong các cơ sở công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học giáo trình này?

Học viên cần hoàn thành môn học Điện kỹ thuật 1 (Mã: KTĐ19MĐ05) và có kiến thức cơ bản về Kỹ thuật số (Mã: TĐH19MĐ04), bao gồm hiểu biết về mạch điện một chiều/xoay chiều, các đại lượng điện áp, dòng điện, điện trở và an toàn điện cơ bản.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu đo lường thông thường?

Giáo trình kết hợp chuyển đổi toán học chi tiết giữa hệ đơn vị Anh và hệ Mét, tích hợp đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn quốc tế NCCER và ISA (mã màu cặp nhiệt điện, chuẩn danh định van, bộ định vị van kỹ thuật số Fisher), đồng thời liên kết trực tiếp với thiết bị thực hành tại phòng Đo lường và phòng điều khiển phân tán DCS.

4. Làm sao để tự học giáo trình này đạt hiệu quả?

Người học cần chủ động đọc nội dung lý thuyết trước buổi học, giải các bài tập chuyển đổi đơn vị ở Chương 1, trả lời hệ thống câu hỏi củng cố cuối chương, kết hợp phân tích các sơ đồ cấu tạo (như cơ cấu ống Bourdon, nguyên lý flapper-nozzle, các dạng trim van) và tham gia thảo luận nhóm 5–6 người theo hướng dẫn của giảng viên.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Học liệu đi kèm gồm hệ thống video mô phỏng nguyên lý cảm biến (được cung cấp qua đường dẫn tham khảo), mô hình trạm điều khiển tại phòng Cơ – Điện tử, mô hình nhà máy mô phỏng tại phòng DCS, cùng các tài liệu tham khảo chuyên ngành như Instrumentation Level 1, 2, 3 của NCCER và Giáo trình đo lường – cảm biến của Nguyễn Vũ Quỳnh & Phạm Quang Huy (2017).

Kết luận

Giáo trình Thiết bị đo lường (Mã môn học: TĐH19MH05) cung cấp đầy đủ hệ thống kiến thức từ các phép đo đơn vị cơ bản, nguyên lý hoạt động của các cảm biến đo 4 đại lượng công nghiệp (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng) đến kỹ thuật truyền đổi tín hiệu và cơ cấu chấp hành van điều khiển.

                    LỘ TRÌNH ĐÀO TẠO MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH

Nội dung giáo trình đóng vai trò nền tảng để học viên tiếp tục thực hiện các mô-đun chuyên ngành tiếp theo: Bản vẽ thiết bị đo lường (TĐH19MH06), Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07), Lắp đặt hệ thống TĐH 1 & 2 (TĐH19MĐ08, TĐH19MĐ09), PLC (TĐH19MĐ15), Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17), và hoàn thiện năng lực thực hành nghề nghiệp thông qua kỳ Thực tập sản xuất (TĐH19MH22) và Khóa luận tốt nghiệp (TĐH19MH21).