Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Thiết bị phân tích và theo dõi (mã môn học: TĐH19MH20) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) ở trình độ cao đẳng. Giáo trình được ban hành kèm theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam), do Thạc sĩ Tạ Ngọc Dũng làm chủ biên cùng sự tham gia của Tổ bộ môn Tự động hóa. Trong cấu trúc chương trình đào tạo, môn học có thời lượng 60 giờ (bao gồm 42 giờ lý thuyết, 14 giờ thực hành/thảo luận và 04 giờ kiểm tra), tương đương 4 tín chỉ, được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần đại cương (Toán, Lý, Hóa học) và các môn học cơ sở như Thiết bị đo lường (TĐH19MH05) cùng Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ10).

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

  • Kiến thức (A1–A11): Trình bày các khái niệm hóa học cơ bản; phân tích các tính chất vật lý (khối lượng riêng, tỷ trọng, độ nhớt, độ đục); phân tích tính chất hóa học (điểm bốc cháy, pH, độ dẫn điện, thế oxy hóa khử ORP); nhận diện phương pháp phân tích khí ($O_2, CO, CO_2, H_2S, THC$); nắm bắt kỹ thuật phân tích quang học (hồng ngoại IR, tử ngoại UV, sắc ký); mô tả cấu trúc, nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy quy ước, ghép kênh và định địa chỉ; nhận dạng cấu trúc mạch và tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật.
  • Kỹ năng (B1–B2): Thực hiện đo và xác định chính xác độ pH của dung dịch; thực hiện đấu nối, kiểm tra và vận hành một hệ thống báo cháy hoàn chỉnh.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính cẩn thận, tuân thủ nghiêm ngặt quy định an toàn nhà máy và quy trình vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình được cấu trúc thành 02 chương trọng tâm: Chương 1: Thiết bị phân tích và theo dõi và Chương 2: Hệ thống báo cháy. Điểm đặc sắc của tài liệu là phương pháp tiếp cận kỹ thuật ứng dụng trực tiếp trong công nghiệp lọc hóa dầu và xử lý khí, chuyển hóa các nguyên lý đo lường phòng thí nghiệm sang môi trường đo đạc online liên tục ngoài hiện trường, đồng thời tích hợp chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (ASTM, OSHA, DIN, ISO, IP).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình phân bổ theo tiến trình logic từ các nguyên lý hóa lý nền tảng, công nghệ đo lường phân tích quá trình đến hệ thống cảnh báo và an toàn công nghiệp:

(Nguyên tử, phản ứng,  (Tỷ trọng, độ nhớt,      (pH, ORP, điểm chớp cháy,      (Khởi động, tủ FACP, thiết bị
 nồng độ, axit-kiềm)    độ đục công nghiệp)      sắc ký, khí CO/H2S/THC)        thông báo, đi dây chuẩn hóa)

  • Chương 1: Thiết bị phân tích và theo dõi (45 giờ):

    • Khái niệm hóa học: Hệ thống hóa lý thuyết về cấu tạo nguyên tử (118 nguyên tố, bảng tuần hoàn, chu kỳ, nhóm), các dạng liên kết (ion, cộng hóa trị, kim loại), đơn vị mol ($6{,}02 \times 10^{23}$ hạt), tính toán nồng độ dung dịch theo độ mol (M) và phần triệu (ppm). Bản chất của phản ứng axit - kiềm, sự phân ly và ion hóa tạo ion hydronium ($H_3O^+$) và hydroxide ($OH^-$), thang đo pH logarit (0–14) và phản ứng trung hòa tạo muối.
    • Phân tích tính chất vật lý: Cung cấp nguyên lý và cấu tạo thiết bị đo khối lượng riêng và tỷ trọng (tỷ trọng kế, phương pháp ống bọt khí kép kết hợp transmitter chênh áp, cơ cấu thế chỗ bán chìm, đồng hồ đo khối lượng riêng dạng cánh gạt dao động và thiết bị đo dùng nguồn bức xạ gamma Coban-60); phân tích độ nhớt của chất lưu Newton và phi Newton (nhớt kế bi rơi, nhớt kế đĩa quay dùng lò xo xoắn, nhớt kế mao dẫn qua tấm orifice); phân tích độ đục (đục kế Jackson, thiết bị quang học truyền qua bước sóng 340 nm xác định Clo, thiết bị phản xạ ánh sáng có cơ cấu chuẩn 5 ppm và thiết bị phân tích tỷ lệ).
    • Phân tích tính chất hóa học và chất khí: Phương pháp xác định điểm bốc cháy cốc kín và cốc hở (theo các hệ thống Abel, TAG, Rapid, Pensky-Martens, Cleveland, Auto-ignition); đo độ pH bằng điện cực thủy tinh kết hợp điện cực tham chiếu (sử dụng 4 loại tiếp giáp: sợi thạch anh, gốm sứ, tay áo ngược, tiếp giáp kép); nguyên lý đo thế oxy hóa khử (ORP), độ dẫn điện (S/cm); các phương pháp phân tích khí công nghiệp như cảm biến điện hóa nhiệt độ cao, thiết bị magneto động học đo $O_2$, tế bào galvanic, máy đo CO Bacharach, bộ dò ion hóa ngọn lửa (FID) đo hydrocarbon, bộ đếm hạt quang học (OPC), máy sắc ký khí mao dẫn và cảm biến quang phổ hồng ngoại (IR), tử ngoại (UV).

  • Chương 2: Hệ thống báo cháy (15 giờ):

    • Tổng quan hệ thống: Phân loại các kiến trúc hệ thống báo cháy công nghiệp gồm hệ thống đi dây thông thường (Conventional Hardwired Systems), hệ thống ghép kênh (Multiplex Systems) và hệ thống định địa chỉ/địa chỉ tương tự (Addressable Systems).
    • Thiết bị khởi động báo cháy: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đầu dò nhiệt (kiểu liên kết nóng chảy, thanh kim loại nhanh, lưỡng kim, bù tốc, bán dẫn tự phục hồi); đầu dò khói (quang điện, ion hóa dùng buồng bức xạ, tán xạ ánh sáng, che khuất ánh sáng, buồng mây, ống thông gió); đầu dò ngọn lửa (UV, IR) và nút báo cháy khẩn cấp kéo tay (loại tiêu chuẩn và loại có khóa bảo vệ).
    • Bảng điều khiển trung tâm (FACP) và thiết bị ngoại vi: Phân tích mạch kích hoạt Lớp B (Kiểu B, Kiểu C) và Lớp A (Kiểu D, Kiểu E); nguồn điện sơ cấp AC và thứ cấp (ắc quy dự phòng); thiết bị thông báo trực quan (đèn chớp gắn tường/trần), thông báo âm thanh (chuông, còi) và hệ thống âm thanh sơ tán bằng giọng nói; kỹ thuật giao tiếp số (chuẩn RJ31-X) và sao lưu dữ liệu di động.
    • Quy chuẩn lắp đặt và đi dây: Hướng dẫn đấu nối điện trở cuối đường dây (EOL), phân tuyến cáp trong máng đỡ, đi dây xuyên tầng, thi công hệ thống chống cháy lan và đi cáp trong khu vực nguy hiểm có nguy cơ cháy nổ.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập khối kiến thức nền tảng trên ba trụ cột:

  • Lý thuyết cơ sở (Fundamental theories): Cấu trúc vỏ điện tử và liên kết hóa học; nhiệt động học chất lưu; lý thuyết bức xạ điện từ và quang học hấp thụ/phát xạ; hiện tượng ion hóa và truyền dẫn điện ly.
  • Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Định luật đo chênh áp thủy tĩnh; phương trình dao động tần số cơ học xác định khối lượng riêng: $$\text{Khối lượng riêng} = \frac{f^2 \times (A - B)}{f + C}$$ (trong đó $f$ là tần số dao động, $A, B, C$ là các hằng số thiết bị); nguyên lý điện thế Nernst tạo ra điện áp tuyến tính $-700\text{ mV}$ đến $+700\text{ mV}$ trên điện cực pH; nguyên lý quang học tán xạ/che khuất hạt khói.
  • Khung tiêu chuẩn kỹ thuật (Essential frameworks): Hệ thống phân loại độ nhớt SUS theo tiêu chuẩn OSHA 1910.106(a); các tiêu chuẩn kiểm định điểm chớp cháy ASTM D56, ASTM D93, DIN 51758, ISO 2719; cấu trúc phân hạng mạch tín hiệu Lớp A và Lớp B của bảng điều khiển báo cháy FACP.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng chuyên môn (Technical skills): Thao tác đo lường và hiệu chuẩn thiết bị phân tích pH cầm tay và inline; vận hành thiết bị đo độ đục qua cơ cấu chỉnh khe sáng 5 ppm; đấu nối mạch báo cháy sử dụng điện trở giám sát EOL.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Xử lý số liệu tính toán nồng độ mol và ppm; tra cứu đồ thị hiệu chuẩn quang phổ kế ở bước sóng chọn lọc; lựa chọn phương pháp kiểm tra điểm bốc cháy phù hợp với độ nhớt và tính chất mẫu thử.
  • Năng lực thực hành thực tế (Practical competencies): Kiểm tra, phát hiện lỗi trên các mạch kích hoạt và mạch thông báo của tủ FACP; thực thi an toàn lao động, sử dụng trang bị bảo hộ cá nhân (giày cách điện, găng tay, sào cách điện, kính bảo hộ) khi làm việc trong môi trường công nghiệp.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình giảng dạy tích cực, lấy người học làm trung tâm, kết hợp giữa diễn giảng lý thuyết, phương pháp vấn đáp và dạy học theo tình huống kỹ thuật (problem-based learning). Hoạt động đào tạo được phân bổ linh hoạt giữa các giờ học tập trung tại phòng lý thuyết chuẩn (trang bị máy tính, máy chiếu) và các ca thực hành trên mô hình thiết bị đo lường, thiết bị phân tích cầm tay cùng hệ thống báo cháy chuyên dụng.

Chương trình tích hợp các bài tập tính toán định lượng và case study thực tế:

  • Bài tập định lượng: Tính toán nồng độ mol và khối lượng hóa chất tham gia phản ứng tạo thành hợp chất ($CO_2, NaCl$); tính toán tỷ trọng chất lỏng và chất khí; xác định tổn hao âm thanh tín hiệu báo động theo khoảng cách tại tần số 1000 Hz dựa trên Bảng 2-3.
  • Tình huống thực hành (Case studies): Lựa chọn chuẩn ASTM D56 (cốc kín Tag) hoặc ASTM D93 (Pensky-Martens) dựa trên độ nhớt mẫu thử (ngưỡng 45 SUS ở $38^\circ\text{C}$); lựa chọn vật liệu tiếp giáp cho điện cực tham chiếu pH tùy thuộc vào bản chất môi trường (dung dịch thường, bùn sệt hay dung dịch chứa ion gây ngộ độc điện cực).

Phương pháp đánh giá học phần được thiết lập đa tầng nhằm kiểm soát chuẩn đầu ra:

  1. Kiểm tra thường xuyên: 02 bài (vấn đáp trên lớp hoặc kiểm tra viết dưới 30 phút, đánh giá kỹ năng thực hành và bài tập cá nhân/nhóm).
  2. Kiểm tra định kỳ: 04 bài viết lý thuyết thời lượng 45–60 phút/bài:
    • Bài 1 (Chương 1): Đánh giá chuẩn A1, A2.
    • Bài 2 (Chương 1): Đánh giá chuẩn A3, A4.
    • Bài 3 (Chương 1): Đánh giá chuẩn A5, B1.
    • Bài 4 (Chương 2): Đánh giá chuẩn A6, A7, A8, A9, A10, A11, B2.
  3. Thi kết thúc môn học: Hình thức thi trắc nghiệm tích hợp (thời lượng 60–75 phút), kiểm tra tổng hợp toàn bộ chuẩn đầu ra kiến thức và kỹ năng từ A1 đến C3.

Hướng dẫn tự học: Sinh viên phải nghiên cứu bài học và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp; tham gia nhóm học tập (quy mô 6–8 người) để thực hiện các chủ đề thảo luận được giao. Quy chế đào tạo yêu cầu người học phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết mới đủ điều kiện dự thi kết thúc môn.

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình được biên soạn và chuẩn hóa dựa trên hai bộ tài liệu chuyên ngành tiêu chuẩn của Tổ chức Đào tạo và Nghiên cứu Giáo dục Xây dựng Quốc gia Hoa Kỳ (NCCER):

  • Instrumentation Level 4 Trainee Guide (Xuất bản lần 3, NCCER, 2016).
  • Electrical Level 4 Trainee Guide (Xuất bản lần 9, NCCER, 2017).
Tiêu chuẩn / Tổ chức Mã hiệu / Quy chuẩn trích dẫn Phạm vi áp dụng trong giáo trình
OSHA (Hoa Kỳ) OSHA 1910.106(a) Quy định ngưỡng điểm bốc cháy và an toàn chất lỏng dễ cháy
ASTM (Hoa Kỳ) ASTM D56, D92, D93, D3228, D3243, D3278, E659 Phương pháp thử nghiệm điểm bốc cháy cốc hở, cốc kín và tự bốc cháy
IP (Anh Quốc) IP 33, IP 34, IP 170, IP 303, IP 304 Đo lường điểm chớp cháy theo tiêu chuẩn Viện Dầu khí
DIN (Đức) DIN 51758, DIN 51794 Kiểm tra điểm bốc cháy và nhiệt độ tự bốc cháy
ISO (Quốc tế) ISO 2592, ISO 2719, ISO 3679, ISO 3680 Tiêu chuẩn quốc tế về xác định điểm chớp cháy
NCCER (Hoa Kỳ) Trainee Guides (Level 4) Cấu trúc mạch tủ báo cháy FACP Lớp A/Lớp B và kỹ thuật phân tích

Giáo trình tích hợp các xu hướng kỹ thuật công nghiệp hiện đại thông qua việc phân tích chuyên sâu các dòng thiết bị đo online thế hệ mới:

  • Thiết bị phân tích khí oxy magneto động học và cảm biến điện hóa nhiệt độ cao dùng cho lò đốt công nghiệp.
  • Thiết bị phát hiện hydrocarbon bằng đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và hệ thống đếm hạt quang học (OPC).
  • Kỹ thuật phân tích quang phổ hồng ngoại (IR), tử ngoại (UV) và máy dò lửa kết hợp phục vụ kiểm soát an toàn giàn khoan và nhà máy chế biến khí.
  • Bảng điều khiển báo cháy thông minh định địa chỉ, tích hợp giao thức truyền thông số RJ31-X và các mạch kích hoạt chịu lỗi (Lớp A Kiểu D/E).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên trình độ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp đào tạo khối ngành Đo lường và Điều khiển tự động (Instrumentation and Control).
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần khoa học cơ bản (Toán học, Vật lý, Hóa học đại cương) và các môn học kỹ thuật nền tảng gồm Thiết bị đo lường (TĐH19MH05), Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02), Đo lường điện (KTĐ19MĐ08) và Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ10).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa, định hướng thiết kế bài giảng lý thuyết, giáo án tích hợp và biên soạn bài tập, ngân hàng đề thi định kỳ cho học phần Thiết bị phân tích và theo dõi.
  • Kỹ thuật viên hiện trường: Tài liệu phục vụ tự học, tra cứu thông số và quy chuẩn đấu nối cho các kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng hệ thống thiết bị đo lường - phân tích và hệ thống phòng cháy chữa cháy tự động tại các công trình dầu khí, nhà máy lọc dầu, nhà máy điện và hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, đồng thời dùng làm tài liệu đào tạo cho kỹ thuật viên ngành Đo lường - Tự động hóa trong các cơ sở công nghiệp.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần nắm vững kiến thức Hóa học đại cương (nguyên tử, liên kết, phản ứng, nồng độ mol/ppm, axit-kiềm), Vật lý kỹ thuật (nhiệt động học, quang học, điện học) và đã hoàn thành môn học Thiết bị đo lường cùng Cơ sở điều khiển quá trình.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết hóa phân tích thông thường là gì?

Giáo trình không đi sâu vào phân tích hóa nghiệm tĩnh trong phòng thí nghiệm mà tập trung vào công nghệ đo lường trực tuyến (online/inline process analyzers), cấu tạo cảm biến công nghiệp, kỹ thuật truyền tín hiệu chuẩn (4–20 mA), mạch cảnh báo FACP và việc tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (OSHA, ASTM, ISO).

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững kiến thức môn học hiệu quả?

Người học cần bám sát các mục tiêu học tập (từ A1 đến C3), hoàn thành các bài tập tính toán nồng độ và suy luận tiêu chuẩn kiểm tra điểm chớp cháy theo độ nhớt SUS; kết hợp đọc trước bài giảng, thảo luận nhóm theo ca và rèn luyện kỹ năng đọc bản vẽ đấu nối mạch báo cháy (Lớp A, Lớp B).

5. Có những tài liệu bổ trợ nào đi kèm với giáo trình?

Các tài liệu tham khảo chính gồm có:

  1. Instrumentation Level 4 Trainee Guide (3rd Edition, NCCER, 2016).
  2. Electrical Level 4 Trainee Guide (9th Edition, NCCER, 2017).
  3. Bản dữ liệu an toàn hóa chất (SDS) của các môi chất công nghiệp và quy trình hướng dẫn thực hành nhà xưởng.

Kết luận

Giáo trình Thiết bị phân tích và theo dõi cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và có cấu trúc chặt chẽ về các công nghệ phân tích tính chất vật lý, hóa học, thành phần khí trong công nghiệp cũng như các quy chuẩn kỹ thuật của hệ thống báo cháy tự động.

Lộ trình học tập được định hướng mạch lạc từ việc củng cố lý thuyết hóa lý cơ bản, tiếp cận nguyên lý vận hành của các cảm biến đo lường chuyên sâu (pH, ORP, tỷ trọng, độ nhớt, độ đục, sắc ký), cho đến việc làm chủ kỹ thuật thi công, đấu nối bảng điều khiển FACP và các thiết bị cảnh báo an toàn. Nguồn học liệu bổ trợ từ hệ thống giáo trình quốc tế NCCER và khung tiêu chuẩn ASTM/OSHA tạo điều kiện cho người học hoàn thiện kỹ năng nghề nghiệp, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt trong vận hành và bảo dưỡng tự động hóa công nghiệp.