TỔNG QUAN VỀ GIÁO TRÌNH: THIẾT BỊ PHÂN TÍCH VÀ THEO DÕI

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học: Thiết bị phân tích và theo dõi (Mã môn học: AUTM64020) được biên soạn bởi Thạc sĩ Tạ Ngọc Dũng (Chủ biên) cùng tập thể giảng viên Tổ bộ môn Tự động hóa thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 tại Bà Rịa – Vũng Tàu phục vụ công tác đào tạo nội bộ.

                  CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC AUTM64020
               (Tổng thời lượng: 60 giờ / 4 tín chỉ)
  CHƯƠNG 1: THIẾT BỊ PHÂN TÍCH                    CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG
          VÀ THEO DÕI                                 BÁO CHÁY
  (45 giờ: 30 LT - 15 TH - 3 KT)             (15 giờ: 10 LT - 4 TH - 1 KT)

Vị trí trong chương trình đào tạo

Môn học có thời lượng 60 giờ (gồm 42 giờ lý thuyết, 14 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 04 giờ kiểm tra), tương đương 4 tín chỉ. Trong khung chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) trình độ cao đẳng, đây là môn học chuyên môn ngành, được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành khối kiến thức khoa học cơ bản (Toán, Lý, Hóa) và các học phần chuyên môn cơ sở như Thiết bị đo lường (AUTM55005), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM53110), Đo lường điện (ELEI53110). Mô-đun này được đưa vào chương trình giảng dạy của nhà trường từ năm 2018.

Mục tiêu học tập (Learning Outcomes)

Giáo trình thiết lập hệ thống chuẩn đầu ra cụ thể:

  • Về kiến thức (A1–A11): Trình bày các khái niệm hóa học đại cương; xác định các tính chất vật lý (khối lượng riêng, tỷ trọng, độ nhớt, độ đục); phân tích tính chất hóa học (điểm bốc cháy, độ pH, độ dẫn điện, thế oxy hóa khử ORP); nắm vững phương pháp phân tích chất khí ($O_2, CO, CO_2, H_2S, THC$) và kỹ thuật quang phổ (hồng ngoại, cực tím); mô tả cấu trúc, nguyên lý hoạt động, phân loại mạch và tiêu chuẩn an toàn của hệ thống báo cháy công nghiệp.
  • Về kỹ năng (B1–B2): Thực hiện đo và xác định chính xác độ pH của dung dịch; thực hiện đấu nối, cấu hình hoàn chỉnh một hệ thống báo cháy cơ bản.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính cẩn thận, kỷ luật lao động, tuân thủ quy chuẩn an toàn công nghiệp và bảo quản thiết bị trong nhà xưởng.

Cấu trúc và cách tiếp cận

Tài liệu gồm 02 chương trọng tâm:

  • Chương 1: Thiết bị phân tích và theo dõi (45 giờ)
  • Chương 2: Hệ thống báo cháy (15 giờ)

Nội dung tiếp cận theo hướng kỹ thuật ứng dụng, kết hợp cơ sở lý thuyết hóa – lý với cấu tạo phần cứng, nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cảm biến và quy chuẩn thi công lắp đặt thực tế theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (OSHA, ASTM, ISO, DIN, IP, NCCER).


Nội dung kiến thức cốt lõi

                             TIẾN TRÌNH NỘI DUNG MÔN HỌC

Các chương và chủ đề chính

Chương 1: Thiết bị phân tích và theo dõi

Chương 1 cung cấp cơ sở hóa học và các phương pháp đo lường phân tích quá trình:

  • Khái niệm hóa học: Khảo sát cấu trúc nguyên tử (proton, neutron, electron), 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn; bản chất liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại; tính toán lượng chất dựa trên số Avogadro ($6{,}02 \times 10^{23}$ hạt/mol), nồng độ mol (M), phần triệu (ppm); cơ chế ion hóa của axit, bazơ và thang đo $pH/pOH$ theo biểu thức logarit.
  • Phân tích tính chất vật lý:
    • Khối lượng riêng và tỷ trọng: Đo bằng tỷ trọng kế thủy tinh, phương pháp ống tạo bọt khí kép kết hợp transmitter chênh áp, phương pháp thế chỗ theo lực đẩy Archimedes, đồng hồ đo khối lượng riêng dạng cánh gạt dao động tần số $f$ theo phương trình: $$\text{Khối lượng riêng} = \frac{f^2 \times (A - B)}{f + C}$$ chuyển đổi sang tín hiệu dòng 4–20 mA, và thiết bị dò bức xạ hạt nhân sử dụng nguồn đồng vị phóng xạ Coban-60.
    • Độ nhớt: Phân loại chất lỏng Newton (dầu, nước, hydrocarbon lỏng) và phi Newton (sơn, bùn nhão, bơ); ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt chất lưu; vận hành nhớt kế bi rơi, nhớt kế đĩa quay (đo mô-men xoắn dây xoắn), nhớt kế mao dẫn tấm orifice.
    • Độ đục: Nguyên lý đục kế nến Jackson, thiết bị đo độ đục kiểu truyền quang, màu sắc kế phân tích Clo tại bước sóng 340 nm, thiết bị phân tích tán xạ phản chiếu có cơ cấu chuẩn hóa 5 ppm, và thiết bị phân tích kiểu tỷ lệ dùng đĩa dao quay.
  • Phân tích tính chất hóa học và chất khí:
    • Xác định điểm bốc cháy: Định nghĩa theo tiêu chuẩn OSHA 1910.106(a); phương pháp cốc hở và cốc kín; các hệ thống thử nghiệm chuẩn hóa: Abel (IP 33, IP 170), Tag (ASTM D56), Pensky-Martens (ASTM D93, DIN 51758, ISO 2719), Cleveland (ASTM D92, ISO 2592), Rapid (ISO 3679) và Auto-ignition (DIN 51794, ASTM E659).
    • Đo pH và ORP: Đo điện áp DC (dải lệch $-700\text{ mV}$ đến $+700\text{ mV}$) sinh ra giữa điện cực đo thủy tinh (nửa tế bào đo) và điện cực tham chiếu; đo độ dẫn điện ($S/\text{cm}$); đo thế oxy hóa khử (ORP) phục vụ kiểm soát ăn mòn lò hơi và xử lý nước thải.
    • Phân tích khí và quang phổ: Đo $O_2$ bằng cảm biến galvanic/magneto động học, đo $CO$ bằng thiết bị Bacharach, đo $H_2S$, đo tổng hydrocarbon (THC) bằng đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID), bộ đếm hạt quang học (OPC), hệ thống sắc ký mao dẫn, phổ kế hồng ngoại (IR) và máy dò lửa cực tím (UV).
                      CƠ CẤU MẠCH ĐIỀU KHIỂN BÁO CHÁY FACP
           Mạch kích hoạt (IDC)       Mạch thiết bị thông báo (NAC)
           (Initiating Device Ckt)    (Notification Appliance Ckt)
       MẠCH LỚP B               MẠCH LỚP A    ĐÈN CHỚP NHÁY          CHUÔNG/CÒI
   (Kiểu B/C, có EOL)        (Kiểu D/E, khép (Strobe gắn tường/trần) (Loa sơ tán)
                              vòng về FACP)

Chương 2: Hệ thống báo cháy

Chương 2 trình bày tổng thể mạng lưới báo cháy công nghiệp:

  • Kiến trúc hệ thống: Phân biệt hệ thống đi dây thông thường (Conventional Hardwired), hệ thống ghép kênh (Multiplex) và hệ thống định địa chỉ/địa chỉ tương tự (Addressable/Analog).
  • Thiết bị đầu vào (Khởi động): Đầu dò nhiệt (nóng chảy, lưỡng kim, bù tốc, bán dẫn tự phục hồi và không tự phục hồi); đầu dò khói (quang điện tán xạ ánh sáng, che khuất ánh sáng, đầu dò ion hóa, buồng mây, đầu dò ống gió); đầu dò lửa UV/IR; nút báo cháy bằng tay có khóa; van giám sát dòng chảy hệ thống sprinkler ướt/khô.
  • Bảng điều khiển FACP và đi dây: Mạch thiết bị kích hoạt (IDC) Lớp B (Kiểu B, C) sử dụng điện trở cuối tuyến (EOL) và Lớp A (Kiểu D, E) mạch vòng; mạch thiết bị thông báo (NAC) điều khiển chuông, còi, đèn chớp nháy (Strobe) và hệ thống sơ tán bằng giọng nói; bộ giao tiếp số DACT qua kết nối RJ31-X; quy chuẩn lắp đặt dây cáp hạn chế công suất, vật liệu chặn cháy lan (firestop), cáp đi trong khoang xử lý không khí (plenum) và khu vực nguy hiểm.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết hóa lý đại cương: Thuyết điện ly, phản ứng oxy hóa khử, cấu trúc vỏ hóa trị nguyên tử và các định luật nhiệt động lực học trong chất lưu.
  • Nguyên lý đo lường cảm biến: Chuyển đổi đại lượng vật lý, hóa học, quang học thành tín hiệu điện chuẩn công nghiệp (mV, 4–20 mA).
  • Khung tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn: Hệ thống tiêu chuẩn kiểm định quốc tế (ASTM, DIN, ISO, IP, OSHA) về điểm bắt cháy và an toàn PCCC tòa nhà/nhà máy.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đo đạc, hiệu chuẩn thiết bị đo pH, thiết bị đo độ đục, tỷ trọng kế; thao tác thiết bị thử nghiệm điểm chớp cháy Pensky-Martens/Tag; đấu nối mạch tủ FACP với các đầu dò và thiết bị cảnh báo.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc bản vẽ sơ đồ đấu dây hệ thống đo lường và báo cháy; tính toán nồng độ dung dịch ($M$, $ppm$); phân tích sai số thị sai trên đồng hồ chỉ thị gương; chẩn đoán trạng thái hở mạch/ngắn mạch trên đường dây IDC và NAC.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Tuân thủ quy định an toàn điện và an toàn hóa chất trong nhà xưởng; sử dụng đúng trang bị bảo hộ chuyên dụng (giày, găng tay, sào cách điện, kính che mặt).

Phương pháp giảng dạy và học tập

                       QUY TRÌNH DẠY - HỌC TÍCH HỢP

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Môn học áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực, tích hợp giữa diễn giảng lý thuyết, vấn đáp kỹ thuật và dạy học giải quyết vấn đề (problem-based learning). Giảng viên thiết kế giáo án linh hoạt theo từng bài giảng hoặc ca học; tổ chức học lý thuyết tập trung và phân chia ca đối với các phiên thực hành trên mô hình chuyên dụng.

Bài tập và bài học tình huống (Case studies)

  • Bài tập định lượng: Tính toán lượng chất tham gia phản ứng tạo khí $CO_2$; tính toán chuyển đổi nồng độ mol cho dung dịch muối ăn ($NaCl$ $50\text{ g}/2\text{ L}$); xác định nồng độ $H^+$ từ giá trị pH; tính toán suy giảm mức áp suất âm thanh báo động theo khoảng cách và tổn thất âm học ở tần số $1000\text{ Hz}$ (Bảng 2-3).
  • Tình huống kỹ thuật: Lựa chọn phương pháp kiểm tra điểm bốc cháy cốc kín (Pensky-Martens ASTM D93) hay cốc hở (Tag ASTM D56) dựa trên ngưỡng độ nhớt $45\text{ SUS}$ tại $100^\circ\text{F}$ ($38^\circ\text{C}$) và sự hiện diện của hạt rắn lơ lửng theo quy chuẩn OSHA.

Đánh giá kết quả học tập

Quy trình đánh giá gồm 3 hợp phần:

  1. Kiểm tra thường xuyên (02 bài): Vấn đáp trực tiếp trên lớp, bài viết ngắn $\le 30$ phút, hoặc kiểm tra kỹ năng thao tác thiết bị đo.
  2. Kiểm tra định kỳ (04 bài lý thuyết): Thời lượng 45–60 phút/bài:
    • Bài 1: Nội dung Chương 1 (Chuẩn A1, A2).
    • Bài 2: Nội dung Chương 1 (Chuẩn A3, A4).
    • Bài 3: Nội dung Chương 1 (Chuẩn A5, B1).
    • Bài 4: Nội dung Chương 2 (Chuẩn A6, A7, A8, A9, A10, A11, B2).
  3. Thi kết thúc môn học: Bài thi trắc nghiệm tích hợp (thời lượng 60–75 phút), đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra kiến thức (A1–A11), kỹ năng (B1, B2) và năng lực tự chủ (C1–C3).
Bài kiểm tra Hình thức kiểm tra Phạm vi nội dung Chuẩn đầu ra đáp ứng Thời gian
Bài số 1 Tự luận / Trắc nghiệm / Báo cáo Chương 1: Hóa học & Tính chất vật lý A1, A2 45 ÷ 60 phút
Bài số 2 Tự luận / Trắc nghiệm / Báo cáo Chương 1: Tính chất hóa học & Đo khí A3, A4 45 ÷ 60 phút
Bài số 3 Tự luận / Trắc nghiệm / Báo cáo Chương 1: Quang phổ & Phân tích pH A5, B1 45 ÷ 60 phút
Bài số 4 Tự luận / Trắc nghiệm / Báo cáo Chương 2: Toàn bộ hệ thống báo cháy A6, A7, A8, A9, A10, A11, B2 45 ÷ 60 phút
Thi kết thúc Trắc nghiệm tích hợp Toàn bộ Chương 1 và Chương 2 A1–A11, B1–B2, C1–C3 60 ÷ 75 phút

Hướng dẫn tự học

Sinh viên phải chủ động nghiên cứu tài liệu trước giờ học; làm việc theo nhóm 6–8 người đối với các chủ đề thảo luận được giao. Quy chế yêu cầu sinh viên tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết trên lớp; trường hợp vắng quá 30% số tiết phải học lại toàn bộ môn học.


Điểm nổi bật và cập nhật của tài liệu

Cập nhật từ khung đào tạo quốc tế

Giáo trình được biên soạn và chuyển ngữ trực tiếp từ hệ thống tài liệu đào tạo nghề của Trung tâm Giáo dục và Nghiên cứu Xây dựng Quốc gia Hoa Kỳ (NCCER), bao gồm:

  • Instrumentation Level 4 Trainee Guide (Xuất bản lần 3, năm 2016, NCCER).
  • Electrical Level 4 Trainee Guide (Xuất bản lần 9, năm 2017, NCCER).
          NGUỒN TÀI LIỆU BIÊN SOẠN & TIÊU CHUẨN TÍCH HỢP

Tích hợp hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp

Tài liệu tích hợp các quy chuẩn thử nghiệm và an toàn hiện hành:

  • Tiêu chuẩn điểm bốc cháy: ASTM D56 (Tag closed cup), ASTM D92 (Cleveland open cup), ASTM D93 (Pensky-Martens closed cup), DIN 51758, DIN 51794, ISO 2719, ISO 2592, ISO 3679, IP 33, IP 34, IP 170.
  • Tiêu chuẩn an toàn: Quy định OSHA 1910.106(a) về chất lỏng dễ cháy và khoảng cách an toàn.

Ứng dụng thực tế trong công nghiệp dầu khí

Toàn bộ hệ thống cảm biến và thiết bị phân tích trong giáo trình gắn liền với môi trường vận hành thực tế tại các công trình dầu khí:

  • Thiết bị phân tích $pH$ và $O_2$ hòa tan phục vụ kiểm soát ăn mòn đường ống lò hơi áp suất cao.
  • Thiết bị đo khối lượng riêng chất khí và chất lỏng phục vụ đo lường lưu lượng thương mại trên đường ống truyền tải.
  • Thiết bị dò khí độc hại ($H_2S, CO$) và đầu dò hydrocacbon (FID) phục vụ an toàn giàn khoan và nhà máy lọc dầu.
  • Cấu hình tủ FACP Lớp A có khả năng chịu sự cố đứt dây đơn mà không làm mất tín hiệu báo động trong môi trường rủi ro cao.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                       ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG GIÁO TRÌNH
  • Sinh viên đào tạo chính quy: Sinh viên trình độ cao đẳng thuộc nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), Đo lường và Điều khiển tự động (Instrumentation).
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ bản về Toán học, Vật lý, Hóa học; hoàn thành các học phần cơ sở: An toàn TĐH (AUTM52101), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Đo lường điện (ELEI53110), Thiết bị đo lường (AUTM55005) và Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM53110).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ thiết kế đề cương bài giảng chi tiết, tổ chức các buổi thí nghiệm/thực hành và biên soạn ngân hàng đề thi đánh giá theo chuẩn đầu ra.
  • Kỹ thuật viên tại doanh nghiệp: Sử dụng làm tài liệu tra cứu các phương pháp đo phân tích hóa lý, phương pháp xác định điểm bốc cháy theo chuẩn ASTM/ISO và quy chuẩn kỹ thuật đi dây hệ thống báo cháy trong các nhà máy công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được thiết kế cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo kỹ thuật có chuyên ngành Đo lường – Tự động hóa.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học?

Người học bắt buộc phải có kiến thức nền tảng về Toán, Vật lý, Hóa học đại cương, đồng thời đã học qua các môn học Thiết bị đo lườngCơ sở điều khiển quá trình.

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

Tài liệu tích hợp song song hai mảng kỹ thuật: (1) Thiết bị phân tích thành phần hóa lý/chất khí công nghiệp chuyên sâu (sử dụng cả kỹ thuật hạt nhân Coban-60, quang phổ, sắc ký) và (2) Kỹ thuật thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy công nghiệp tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn quốc tế (NCCER, ASTM, NFPA, OSHA).

4. Làm thế nào để tự học giáo trình đạt hiệu quả cao?

Người học cần làm chủ các công thức tính toán lượng chất, giải quyết các bài toán tình huống về điểm bốc cháy, chủ động tham gia thảo luận nhóm 6–8 người và nghiên cứu kỹ các sơ đồ mạch Lớp A, Lớp B của tủ điều khiển FACP trước các buổi thực hành.

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

Tài liệu bổ trợ chính là bộ giáo trình quốc tế Instrumentation Level 4 Trainee Guide (NCCER, 2016) và Electrical Level 4 Trainee Guide (NCCER, 2017), cùng hệ thống phiếu an toàn hóa chất (SDS) và quy trình thực hành xưởng của bộ môn.


Kết luận

                        LỘ TRÌNH HỌC TẬP ĐỀ XUẤT

Giáo trình môn học: Thiết bị phân tích và theo dõi cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về kỹ thuật đo lường phân tích thành phần chất lưu và thi công hệ thống cảnh báo cháy trong môi trường công nghiệp.

  • Giá trị cốt lõi: Kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở khoa học hóa lý, nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cảm biến và hệ thống quy chuẩn kỹ thuật an toàn quốc tế.
  • Lộ trình học tập đề xuất: Sau khi hoàn thành môn học này, người học có nền tảng để tiếp tục các học phần chuyên sâu tiếp theo như Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) (AUTM63117), Điều khiển quá trình nâng cao (AUTM64118), Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi vòng điều khiển (AUTM62119), và Thực tập sản xuất (AUTM55222).
  • Nguồn tài liệu mở rộng: Các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành (ASTM, ISO, DIN), tài liệu hướng dẫn NCCER Level 4 và cẩm nang vận hành thiết bị phân tích của nhà sản xuất.