MÔ ĐUN HÓA HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN ÁP SUẤT

Một thuật ngữ thông dụng trong hiệu chuẩn áp suất ngày nay là mô-đun hóa. Nhưng điều này thực sự có ý nghĩa gì, và tại sao nó lại được đánh giá là quan trọng trong thiết kế và xây dựng các thiết bị hiệu chuẩn áp suất?

 Khi được thực hiện chính xác, tính mô đun có lợi ích vượt trội so với thiết kế cố định trên thiết bị hiệu chuẩn áp suất truyền thống. Sự mô đun hóa cũng có những thách thức trong việc hiểu rõ về độ không đảm bảo đo tổng thể của hệ thống và tính truyền chuẩn. 

Hãy cùng Unitek Lab tìm hiểu những lợi ích và thách thức của mô đun hóa hệ thống hiệu chuẩn áp suất 

I-Tổng quan thuật ngữ mô đun

Từ quan điểm cấp cao, tất cả các hệ thống hiệu chuẩn áp suất đều thực hiện các nhiệm vụ cụ thể:

1. Tạo / điều khiển áp suất.

2. Đo áp suất đó.

3. Giám sát / ghi lại đầu ra của thiết bị thử. 

Trong một hệ thống nguyên khối truyền thống, một thiết bị thực hiện nhiều hơn một các chức năng này. Điều này có thể rất hiệu quả và đơn giản hóa thiết kế tổng thể của hệ thống. Ngược lại, trong một hệ thống mô-đun, mỗi chức năng được tách thành mô-đun riêng. Mỗi mô-đun phải thực hiện nhiệm vụ đó và tất cả các bước cần thiết để thực hiện nó nếu không các mô-đun phụ thuộc lẫn nhau và tính mô đun sẽ biến mất. Do đó, một hệ thống mô-đun thực sự không đơn giản như vậy

Lấy ví dụ, Bộ điều khiển/ Bộ hiệu chuẩn áp suất mô-đun Fluke 2271A, 6270A, 8270A và 8370A là các hệ thống mô-đun thực sự. Các chức năng chính của điều khiển và đo áp suất được tách thành các mô-đun riêng, với mỗi mô-đun thực hiện một chức năng cụ thể. Mô-đun đo áp suất bao gồm tất cả các hạng mục cần thiết để đo áp suất, và Mô-đun điều khiển áp suất bao gồm các van, cảm biến áp suất, thiết bị điện tử và phần cứng cần thiết để kiểm soát áp suất. 

II-Lợi ích của mô đun hóa

Tại sao  dùng hệ thống hiệu chuẩn kiểu mô-đun hóa? Một thiết kế mô-đun mang lại các lợi ích sau:

1.Tính đa dải (Rangeability): Thiết bị đo áp suất có nhiều dải áp suất khác nhau. Hệ thống hiệu chuẩn hữu ích nhất là hệ thống có thể hiệu chỉnh nhiều dải áp suất nhất. Thuật ngữ “tính đa dải” dùng để chỉ khả năng của một thiết bị có thể đo nhiều dải. Với một hệ thống mô-đun, có thể gắn nhiều mô đun cho phép thực hiện đo ở phạm vi rộng hơn. Để đạt được điều đó, thiết kế của một hệ thống mô-đun phải:

a.Có khả năng chứa nhiều mô-đun cùng một lúc. Nhiều mô-đun có nghĩa là tính đa dải của hệ thống cao hơn.

b.Có khả năng chứa các mô-đun đo với khả năng, hiệu năng đo linh hoạt phù hợp. Độ không đảm bảo đo và phạm vi đo của mỗi mô đun góp phần vào khả năng thực hiện khối lượng công việc rộng của bộ hiệu chuẩn với độ chính xác phù hợp. 

2.Khả năng mở rộng (Expandability): khối lượng công việc hiệu chuẩn của bạn thay đổi theo thời gian. Năm nay, bạn có thể chỉ cần tối đa 7 MPa (1000 psi). Nhưng năm tới bạn có thể cần tới 20 MPa (3000 psi) hoặc thậm chí 100 MPa (15 000 psi). Với một hệ thống cố định dạng truyền thống, không phải lúc  nào cũng dễ dàng mở rộng phạm vi áp suất lớn hơn. Bạn thậm chí có thể cần phải mua một hệ thống hoàn toàn mới. Một hệ thống mô-đun được thiết kế phù hợp có thể mở rộng dễ dàng bằng cách thêm nhiều mô-đun.

Thiết kế cần xem xét các yếu tố sau:

-Thêm các mô đun áp suất cao hơn hoặc thấp hơn không yêu cầu mua máy mới toàn bộ hoặc lắp ráp lại bởi nhà sản xuất

– Thêm mô-đun áp lực phải nhanh và dễ thực hiện 

Unitek Lab cung cấp bộ điều khiển / bộ hiệu chuẩn áp suất mô-đun Fluke – đây là bộ điều khiển cung cấp nền tảng trong đó tất cả các mô-đun có thể thay đổi nhanh chóng bởi người dùng mà không cần đến công cụ đặc biệt và thậm chí không ngắt nguồn hoặc tạm dừng nguồn cấp áp suất cho thử nghiệm

3.Giảm thời gian ngừng hoạt động (downtime)– Một hệ thống hiệu chuẩn vốn dĩ có thời gian ngừng hoạt động. Tại một số thời điểm, cần thực hiện hiệu chỉnh và trong thời gian đó buộc phải ngừng hoạt động. Với thiết kế mô đun mạnh mẽ, có nhiều tùy chọn để giảm hoặc loại bỏ thời gian dừng hoạt động trong quá trình hiệu chuẩn và bảo trì khác. Nếu tất cả các mô-đun đo đều độc lập, việc hiệu chuẩn có thể được thực hiện theo thứ tự mà thiết bị có thể thực hiện hầu hết các phạm vi công việc trong quá trình bảo trì và hiệu chuẩn.

Ví dụ: nếu hệ thống bao gồm nhiều mô-đun đo, bạn có thể gửi một mô- đun để hiệu chuẩn trong khi các mô-đun khác vẫn hoạt động. Hoặc, trong các ứng dụng có thời gian hoạt động liên tục, bạn có thể mua một bộ mô-đun dự phòng và thay thế xoay vòng chúng trong khi thực hiện bảo dưỡng, hiệu chuẩn định kỳ. Vì vậy, bạn luôn có sẵn các mô-đun được hiệu chuẩn. Thời gian dừng hoạt động cũng được loại bỏ bằng các mô-đun điều khiển. Một mô-đun điều khiển không yêu cầu cấu hình với các thanh phần khác của hệ thống cho phép khắc phục sự cố và sửa chữa bộ điều khiển/ hiệu chuẩn hệ thống dễ dàng hơn. 

Để đạt hiệu quả giảm thời gian dừng hoạt động, cần chú ý đến các vấn đề sau khi thiết kế hệ thống mô đun:

– Đầu tiên, các mô-đun phải thay đổi dễ dàng và nhanh chóng. Thời gian cần thiết để tháo và lắp lại một mô đun là thời gian dừng hoạt động. Nó bao gồm thời gian xả áp suất nguồn, tháo lắp các mô-đun bằng các công cụ thích hợp, ngắt kết nối và kết nối lại các đường áp suất, và kiểm tra hệ thống để đảm bảo rằng không có rò rỉ nào và hệ thống đang hoạt động bình thường. Việc lắp mô- đun phải thực hiện sao cho không gây rò rỉ và các vấn đề tương tự. Việc sửa chữa rò rỉ hoặc hư hỏng khác có thể dẫn đến thời gian dừng hoạt động đáng kể

– Thứ hai, chi phí của toàn bộ hệ thống phải được phân chia theo các mô-đun. Nếu mô-đun chiếm 80 phần trăm đến 90 phần trăm chi phí của hệ thống, thì nó trở nên lãng phí khi có các mô-đun dự phòng để duy trì thời gian hoạt động.

– Thứ ba, hiệu chuẩn phải ở cấp độ mô-đun đo áp suất. Các thành phần khác trong hệ thống không thể tác động đến hiệu chuẩn, do đó cho phép mô-đun cung cấp cùng một kết quả đo khi nó được tháo ra khỏi khung máy và được lắp đặt trong một khung máy khác hoặc bộ nối hiệu chuẩn khác 

III-Xác định tính truyền chuẩn của hệ thống mô đun

Có nhiều bước thực hiện khi đo áp suất. Mỗi bước có ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của phép đo. Trong hệ thống mô-đun, không phải tất cả các bước được thực hiện trong một mô đun. Thông thường, các bước liên quan đến thực hiện phép đo bao gồm:

1. Áp suất được đưa vào hệ thống.

2. Áp suất tác dụng lên thành phần cảm biến

3. Lực gây ra thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến áp suất. Tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến áp suất, đây có thể là tín hiệu tần số hoặc millivolt (hoặc tương tự).

4. Đầu ra cảm biến áp suất được đo bằng mạch điện tử và được chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số.

5. Hệ số có liên quan được áp dụng cho giá trị kỹ thuật số

6. Giá trị được báo cáo cho người dùng bằng cách hiển thị trên màn hình hoặc được gửi qua giao diện từ xa. 

Đặc trưng của một số bước này thay đổi hoặc bị trôi theo thời gian, do đó cần thực hiện hiệu chuẩn. Mối quan hệ của lực lên tín hiệu đầu ra ở bước 3 và phép đo bằng điện tử ở bước 4 sẽ có khả năng thay đổi theo thời gian. Do đó, việc hiệu chuẩn cần thực hiện từ bước từ 3 đến 5. Nói cách khác, mô-đun phải lấy đầu vào là áp suất vật lý và đầu ra phải là một giá trị kỹ thuật số không yêu cầu điều chỉnh hoặc hiệu chỉnh thêm. 

Các cân nhắc khác cần chú ý khi thiết kế mô đun để đảm bảo rằng mô đun hiển thị giống nhau, cho dù chúng được lắp đặt ở đâu:

– Kích thích điện tử – tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến áp suất, đầu ra của nó có thể là một hàm số của, không chỉ là áp suất, mà còn cả điện áp cung cấp hoặc kích thích điện tử khác. Trong thiết lập mô-đun, không thể đảm bảo rằng hai khung máy sẽ có điện áp cấp chính xác cho mô đun. Do đó, mô-đun phải được thiết kế sao cho nó có thể hoạt động với một phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào mà không ảnh hưởng đến phép đo cuối cùng

– Nhiệt độ – Cảm biến áp suất cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Nếu một mô-đun được thiết kế để hoạt động cả bên trong khung máy và trong bộ nối hiệu chuẩn, thì giá trị bù nhiệt độ phải đầy đủ và hiệu quả trong các môi trường nhiệt khác nhau, chẳng hạn như bên trong và bên ngoài khung máy hiệu chuẩn

– Nhiễu điện từ (Electromagnetic interference – EMI) – Một cảm biến áp suất và bộ điện tử đi kèm có thể bị ảnh hưởng bởi EMI. Trong thiết bị truyền thống, thiết bị được thiết kế để loại bỏ tác động thông qua vỏ bọc chống nhiễu và thiết kế điện. Với hệ thống mô-đun, mô-đun phải miễn nhiễm với EMI, ngay cả khi không được cài đặt trong khung máy. Nó cũng phải miễn nhiễm với EMI được bên trong khung, vì sẽ không có EMI đó khi mô-đun được hiệu chỉnh bên ngoài khung 

Thiết bị Fluke 2271A, 6270A, 8270A, và 8370A và các Mô-đun đo áp suất đi kèm của chúng đáp ứng các yêu cầu trên, cho phép hiệu chuẩn được thực hiện ở cấp độ mô-đun. Thiết kế cho phép áp suất thô tác dụng vào mô đun dẫn đến mô-đun xuất ra một giá trị kỹ thuật số không cần điều chỉnh thêm. Thiết kế mô- đun có tính đến tất cả các ảnh hưởng bên ngoài, bao gồm điện áp cung cấp, nhiệt độ và EMI. 

Khi sử dụng hệ thống hiệu chuẩn mô-đun để hiệu chỉnh các thiết bị đo áp suất khác, những hạng mục nào được liệt kê vào báo cáo hiệu chuẩn như tiêu chuẩn được sử dụng? Các mô-đun đo lường, mô-đun điều khiển, khung, hoặc cả 3? Sự truyền chuẩn là qua các mô-đun đo lường. Đây là loại mô đun duy nhất yêu cầu hiệu chuẩn. Do đó, bất kỳ mô đun đo lường nào được sử dụng trong hiệu chuẩn cần phải được liệt kê. Mô-đun điều khiển và khung không cần phải được liệt kê trong báo cáo hiệu chuẩn 

IV-Lựa chọn khung máy và mô đun đo áp suất phù hợp

Chọn bộ điều khiển áp suất / khung máy hiệu chuẩn và mô-đun đo áp suất phù hợp là một quá trình đơn giản và dễ dàng.

 1. Đánh giá khối lượng công việc

Nếu có một danh sách khối lượng công việc xác định, lập danh sách các dải áp suất và độ không đảm bảo đo cần thiết ở các áp suất đó. (‘Khối lượng công việc’ chỉ những phương tiện đo cần hiệu chuẩn). Trong hầu hết các trường hợp, các đối tượng đó sẽ có một độ chính xác theo phần tram của toàn dải đo. Do đó, các áp suất quan tâm sẽ thường tương ứng với phạm vi đo của thiết bị được thử nghiệm (DUT – device under test).

Đối với các hoạt động hỗ trợ khối lượng công việc khác nhau và không thể đoán trước, chẳng hạn như phòng thí nghiệm hiệu chuẩn của bên thứ ba, khối lượng công việc có thể không được xác định rõ. Trong những trường hợp này, cần chú ý đến áp suất cao nhất và áp suất thấp nhất cần thực hiện 

2. Chọn khung máy

Kiểu loại
Model
Áp suất tối
đa
Áp suất tối
thiểu
Mô đun hỗ
trợ
2271A20 MPa
(3000 psi)
Tất cả các
phạm vi
PM200,
PM500
6270A20 MPa
(3000 psi)
Tất cả các
phạm vi
PM200,
PM500,
PM600
8270A40 MPa
(6000 psi)
Áp suất
tương đối
100 kPa (15
psi gauge)
PM200,
PM500,
PM600
8370A100 MPa
(15 000 psi)
Áp suất
tương đối 700 kPa
(100 psi
gauge)
PM200,
PM500PM600

Đánh giá khả năng và tính năng của từng loại khung. Một số loại phù hợp để sử dụng trong phòng thí nghiệm, một số loại phù hợp với sử dung tại thực địa. Ngoài ra, cần xem xét các mô đun nào được hỗ trợ cho khung máy được chọn, chú ý theo danh sách khối lượng công việc và tầm nhìn trong tương lai. Cần chú ý đến yếu tố dễ sử dụng.

So sánh các khung bộ hiệu chuẩn/ điều khiển Fluke Calibration 

3.Chọn mô đun đo áp suất

Tốt
Mô đun đo áp suất PM 200
Tốt hơn
Mô đun đo áp suất PM500
Tốt nhất
Mô đun đo áp suất PM600
• Thông số kỹ thuật 0,02% FS hỗ
trợ hiệu chuẩn hoặc kiểm tra đồng
hồ đo áp suất chỉ thị kim, bộ
chuyển đổi áp suất có độ chính xác
bình thường hoặc công tắc áp suất
• Thiết kế cảm biến áp suất loại
silicon điện tử cho phép điều khiển
áp suất nhanh hơn
• Giá cả phái chăng tạo điều kiện
thuận lợi cho việc mua các mô-đun
dự phòng, đảm bảo không cần
dừng hoạt động hiệu chuẩn
• Cảm biến áp suất loại silicon
được tuyến tính và đặc trưng
hóa giúp tiết kiệm khi thực hiện
các phép đo áp suất chính xác
• Độ không đảm bảo đo 0,01%
giá trị đo (reading) từ 50% đến
100% cho hầu hết các phạm vi
đo cho phép dải làm việc rộng
• Hơn 45 dải đo, từ áp suất thấp
lên đến 20 MPa (3000 psi) để
lựa chọn. Ứng dụng của bạn
được đáp ứng với những cấu
hình linh hoạt này.
• Công nghệ Quartz Reference
Pressure Transducer (Q-RPT)
của Fluke Calibration cho phép
đo chính xác với độ ổn định lâu
dài
• Độ không đảm bảo đo 0,01%
reading từ 30% đến 100% dải
đo của mô-đun cho phép phạm
vi làm việc cực kỳ rộng
• Khí áp kế tích hợp trong các
mô đun áp suất tuyệt đối, cho
phép sử dụng ở cả chế độ tuyệt
đối và tương đối (gauge)

 Bắt đầu ở áp suất cao nhất cần thiết sau đó xem xét xuống áp suất thấp nhất. Có thể có nhiều mô-đun sẽ cung cấp đủ độ không đảm bảo đo ở một áp suất nhất định. Trong một số trường hợp, nên chọn sử dụng mô đun có giá trị “quá tốt” ở một áp suất nhưng có thể sử dụng được ở nhiều áp suất khác nữa. Trong trường hợp khác, sẽ có lợi hơn khi sử dụng số lượng lớn hơn các mô-đun có độ chính xác vừa đủ như PM200. 

4. Khả năng mở rộng

Một hệ thống mô-đun cho phép khả năng mở rộng trong tương lai. Khối lượng công việc hiệu chuẩn áp suất của bạn gần như chắc chắn sẽ thay đổi theo thời gian. Nếu một số khối lượng công việc không được xác định rõ hoặc khả năng sẽ tăng trong tương lai, cần cân nhắc khả năng hoạt động có thể tăng lên trong tương lai.

 Liên hệ tư vấn & hỗ trợ:

UNITEK CALIBRATION – ISO 17025:2017

Lab address: 73 Binh Loi, Ward 13, Binh Thanh District, Ho Chi Minh City
Tel: +84 28 6258 1236
Hotline: +84 919 9024 12
Email: lab@unitekco.com