Khi nói đến đo lường trong kỹ thuật hay công nghệ, ta hay nói đến cảm biến đo. Tuy nhiên cảm biến đo thường chỉ là một phần của thiết bị đo, đúng ra ta phải đề cập đến cảm biến (sensor), bộ truyền tín hiệu (transmitter) , và các phụ kiện (accessories).
Cảm biến (Sensor): Cảm biến là thiết bị dùng để phát hiện và đo một đại lượng nào đó trong môi trường, ví dụ như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, hay chuyển động. Nó sẽ "cảm nhận" được thông tin và biến đổi thông tin đó thành tín hiệu tín hiệu điện. Ví dụ như cảm biến áp suất dựa trên lực tác động bề mặt (cơ học) và sự tác động này gây ra sự thay đổi về điện (như điện trở, điện áp hay dòng điện)
Bộ truyền tín hiệu (Transmitter): Sau khi cảm biến đo được thông tin, bộ truyền tín hiệu lấy tín hiệu từ cảm biến (thường là tín hiệu điện yếu, vì dụ như đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ chỉ tạo ra điện thế vài mili Volt, bộ truyền tín hiệu sẽ khuếch đại, xử lý và chuyển đổi thành một dạng tín hiệu mạnh hơn để truyền đi xa, đồng thời cũng đưa ra màn hình hiển thị tại chỗ để người vận hành có thể đọc được.
Khi đề cập tới thiết bị đo thông minh (smart instrument), thường là do bộ truyền tín hiệu có trang bị các vi xử lý tiên tiến. Chúng có thể thực hiện được các chức năng như xác định dải đo (ranging), tuyến tính hóa (linearization), kiểm tra sai số (error checking), chuyển đổi giá trị đo, và có thể tự chẩn đoán (self-diagnostics) các lỗi sớm phục vụ cho công tác bảo trì dự báo hoặc bảo trì ngăn ngừa. Các thiết bị thông minh còn có thể được thiết lập và thay đổi thông số từ xa thông qua các giao thức truyền thông phổ biến như HART, Foundation Fieldbus hoặc Profibus.
Các phụ kiện (Accessories): Đây là những thứ hỗ trợ để cảm biến và bộ truyền tín hiệu hoạt động tốt hơn. Có thể kể đến dây cáp, đầu nối, ống bảo vệ, bộ nguồn, hoặc thậm chí là màn hình hiển thị. Chúng giống như "đồ nghề" giúp hệ thống đo lường hoàn chỉnh và đáng tin cậy. Khi lựa chọn thiết bị, chúng ta thường hay bỏ quên các “yếu tố phụ” này mà tập trung vào cảm biến hay bộ truyền tín hiệu. Tuy nhiên, các phụ kiện này, nếu không được lưu ý lựa chọn đầy đủ, đúng quy cách, sẽ làm ảnh hưởng rất lớn đến tiến độ dự án và độ chính xác liên quan đến thiết bị đo lường.
Khi mới ra trường và tiếp xúc thiết bị đo, tôi đã rất bối rối với rất nhiều thông số của thiết bị, từ nguyên lý đo, dải đo, độ chính xác, điện áp, ren kết tiếp,...và không biết bắt đầu từ đâu. Ở giai đoạn thiết kế, kỹ sư đo lường tự động hóa thường được yêu cầu lựa chọn thiết bị cho quy trình công nghệ, vì thế họ cần nắm chắc quy trình công nghệ để có thể thiết kế hệ thống điều khiển và thiết bị đo phù hợp với yêu cầu của dự án. Khi tôi đặt câu hỏi các bạn kỹ sư trẻ rằng yếu tố quan trọng nhất để lựa chọn thiết bị đo phù hợp nhất với yêu cầu của ứng dụng, hầu hết các câu trả lời đều là về nguyên lý đo, độ chính xác, tín hiệu đầu ra. Trên thực tế, thiết được lựa chọn đúng và phù hợp phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Tuân thủ các tiêu chuẩn, điều luật liên quan đến an toàn, môi trường và sức khỏe của con người. Một thiết bị đo không có tiêu chuẩn chống cháy nổ nếu được lắp đặt vào môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, sẽ gây hậu quả rất nặng nề cho con người và tài sản thiết bị.
- Thỏa mãn các yêu cầu về công nghệ bao gồm hiệu suất làm việc của thiết bị bao gồm dải đo, nguyên lý đo, độ chính xác, khả năng phản hồi,....
- Thỏa mãn hài hòa và dựa trên các khuyến nghị từ các hiệp hội tiêu chuẩn, để thiết bị phù hợp với chi phí, chất lượng, khả năng vận hành, bảo trì và hoạt động bền bỉ.
Vì thế, việc lựa chọn thiết bị đúng không chỉ là về công nghệ, mà còn các yếu tố khác như an toàn, hiệu suất, vị trí lắp đặt, nguồn cấp điện khí, tiếp đất, an toàn và dễ dàng trong các thao tác vận hành, thay thế và sửa chữa thiết bị. Việc triển khai hệ thống điều khiển đòi hỏi phải chú ý đến nhiều khía cạnh quan trọng khác ngoài công nghệ cụ thể. Các yếu tố đó bao gồm:
Trong công nghiệp, các mối nguy (hazards) luôn hiện hữu như nguồn điện, nguồn thủy lực hoặc khí nén áp suất cao, các nguyên liệu cháy nổ hay độc hại với môi trường và con người. Vì thế, An toàn phải được ưu tiên hàng đầu khi triển khai hệ thống điều khiển. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định là rất quan trọng. Thiết bị phải được chế tạo từ các vật liệu phù hợp; vật liệu không tương thích có thể gây ăn mòn hoặc hỏng hóc, dẫn đến rò rỉ nghiêm trọng. An toàn còn có nghĩa là thiết bị phải được chọn cấp độ SIL phù hợp với báo cáo SIL.
Tất cả các thiết bị đo lường và điều khiển phải được sản xuất, lắp đặt, và bảo trì tuân theo quy định, đặc biệt khi được đặt ở khu vực nguy hiểm hoặc có sự hiện diện của khí, hơi, chất lỏng, hoặc bụi dễ cháy. Các tài liệu tiêu chuẩn như IEC-60079, ISA-12.10-1988 hay NFPA 70 cung cấp hướng dẫn liên quan đến thiết bị điện trong các khu vực nguy hiểm, ví dụ như các tiêu chuẩn áp dụng và cách triển khai an toàn. Đối với an toàn, các nước đều có quy định riêng thường thì sẽ tương đương hoặc cao hơn so với các tiêu chuẩn quốc tế. Yêu cầu tuân thủ các quy định địa phương là bắt buộc, ở Việt Nam có thể tham khảo TCVN-6767-2016.
Việc triển khai thiết bị đo lường và điều khiển phải đáp ứng các đặc tính kỹ thuật của quy trình công nghệ. Việc lựa chọn đúng thiết bị đo lường trong quy trình công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ tin cậy của hệ thống. Để đạt được điều này, các kỹ sư cần xem xét một số yếu tố quan trọng như sau:
Hiểu rõ yêu cầu của quy trình công nghệ, cần xác định các thông số đo lường quan trọng như lưu lượng, mức, áp suất, nhiệt độ, cũng như độ chính xác yêu cầu. Đồng thời, các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và mức độ ăn mòn cũng cần được đánh giá kỹ lưỡng để chọn thiết bị phù hợp với môi trường vận hành.
Chọn cảm biến phù hợp tùy thuộc vào dải đo và điều kiện vận hành, các loại cảm biến khác nhau sẽ phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Ví dụ như cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detector) phù hợp với phép đo có độ chính xác cao trong dải nhiệt độ trung bình, trong khi thermocouple (cặp nhiệt điện) được ưu tiên sử dụng ở nhiệt độ cao hơn. Cảm biến áp suất chênh áp thích hợp để đo mức trong bồn kín, trong khi cảm biến áp suất tuyệt đối phù hợp với ứng dụng yêu cầu đo chính xác áp suất thực. Thiết bị đo lưu lượng từ tính thích hợp cho chất lỏng dẫn điện, còn thiết bị đo lưu lượng Coriolis phù hợp cho đo lưu lượng khối lượng với độ chính xác cao.
Cân nhắc các tính năng khác của các thiết bị đo lường hiện đại như truyền thông kỹ thuật số, có truyền thông HART, cấu hình từ xa, và chẩn đoán lỗi. Những tính năng này giúp đơn giản hóa quá trình lắp đặt, hiệu chuẩn và bảo trì thiết bị, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành.
Đánh giá độ chính xác và ổn định của phép đo như thiết bị đo cần đảm bảo độ chính xác, độ lặp lại, độ không đảm bảo và độ ổn định cần thiết cho ứng dụng. Một số thiết bị có khả năng bù trừ các ảnh hưởng phi tuyến tính giúp duy trì độ chính xác ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi như thiết bị đo Clo thì cần bù nhiệt độ.
Vị trí Lắp đặt Thiết bị: Tất cả các thiết bị đo lường và điều khiển cần được lắp đặt tại vị trí dễ tiếp cận. Người dùng cần xem xét nhiệt độ môi trường tối đa và tối thiểu, cũng như bảo vệ linh kiện điện tử của thiết bị khỏi nhiệt độ quá cao từ quy trình công nghệ. Trong trường hợp nhiệt độ công nghệ quá cao, thường sử dụng các bộ chuyển đổi transmitter nằm cách xa điểm đo. Độ chính xác đo lường cần được duy trì bất kể sự thay đổi nhiệt độ từ môi trường. Vị trí lắp đặt rất quan trọng với công tác bảo trì, do chúng có liên quan đến khả năng tiếp cận của kỹ sư bảo trì.
Bảo Trì thiết bị điều khiển đòi hỏi phải ngừng hoạt động hệ thống hoặc bảo trì khi hệ thống đang hoạt động. Do đó, cần xác định khả năng lắp đặt và tháo dỡ thiết bị tại chỗ (online) mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất. Cần xem xét chi phí và tần suất cho các thiết bị đòi hỏi bảo trì thường xuyên hoặc yêu cầu công cụ và chuyên môn đặc biệt. Nhân viên bảo trì cũng cần có năng lực, trong trường hợp phải thuê nhà thầu bảo trì, cần đảm bảo nhà thầu có chuyên môn cần thiết và có thể đáp ứng trong thời gian chấp nhận được. Xem xét độ khó và tần suất cần hiệu chuẩn và xác định xem hiệu chuẩn có thể được thực hiện tại chỗ hay phải gửi thiết bị đến cơ sở của nhà cung cấp.
Nguồn Cấp Khí Nén là một yếu tố quan trọng, nhất là đối với các thiết bị cần sử dụng khí nén như van điều khiển. Thường khi nói đến đo lường, ta thường nghĩ đến các thiết bị đo, tuy nhiên van điều khiển cũng là một mảng mà kỹ sư đo lường chịu trách nhiệm chính. Khí nén thường được sử dụng để vận hành van điều khiển. Thông thường, khi nguồn khí nén bị mất, các van điều khiển sẽ chuyển về vị trí an toàn.
Nguồn Cấp Điện Đối với các hệ thống máy tính điều khiển quy trình và phần cứng phụ trợ, cần đảm bảo chất lượng và tính toàn vẹn của nguồn điện ở mức cao. Điều này có thể đạt được thông qua các thiết bị như:
- Bộ lưu điện (UPS): loại online hoặc offline, trong đó loại online thường được sử dụng trong công nghiệp vì khả năng cung cấp nguồn điện liên tục và giảm nhiễu điện.
- Máy biến áp cách ly: giảm nhiễu điện từ (EMI).
- Bộ triệt xung: bảo vệ khỏi các xung điện áp.
Loại tín hiệu: Trong tự động hóa quy trình, nguồn điện chủ yếu dùng để truyền tín hiệu và vận hành các chức năng điều khiển. Ba loại tín hiệu phổ biến:
- Tín hiệu tương tự (analog): thay đổi liên tục theo giá trị đo, ví dụ 4–20 mA tương ứng với áp suất 0–300 psig (2,068 kPag).
- Tín hiệu rời rạc (discrete): tín hiệu dạng bật/tắt tương tự tín hiệu số, thường được dùng để điều khiển thiết bị.
- Tín Hiệu Số (Digital Signals) Tín hiệu số được sử dụng cho việc truyền tín hiệu dưới dạng số hóa trong các hệ thống máy tính. Chúng bao gồm một chuỗi các bit, trong đó mỗi bit có giá trị rõ ràng là 1 hoặc 0.
Tiếp Đất (Grounding) bao gồm ba loại tiếp đất chính
- Tiếp đất nguồn điện (Power Earth hay Dirty Earth): tiếp đất chính tuân thủ theo kỹ thuật điện
- Tiếp đất chống nhiễu (Shield): Dây shield bao quanh các dây mang tín hiệu chỉ nên được tiếp đất ở một đầu. Đầu còn lại (thường là phía thiết bị ở hiện trường) cần được cắt và băng kín để tránh tiếp đất không mong muốn.
- Tiếp đất tín hiệu còn gọi là tiếp đất sạch (Instrument Earth hay Clean Earth): Cần được tiếp đất tại một điểm duy nhất (thường là gần nguồn cấp điện của tín hiệu).
