Trong nghiên cứu khoa học, nhiều thí nghiệm cần một hệ thiết bị có chức năng rất cụ thể mà thiết bị thương mại có sẵn không đáp ứng hoàn toàn. Có trường hợp cần đo nhiều tín hiệu cùng lúc, duy trì một điều kiện thí nghiệm trong thời gian dài, ghi dữ liệu liên tục hoặc điều khiển nhiều cơ cấu theo một trình tự riêng.
Thiết bị phòng thí nghiệm theo yêu cầu nghiên cứu là nhóm sản phẩm ENVI được thiết kế và chế tạo dựa trên mục tiêu cụ thể của từng thí nghiệm. Thay vì lựa chọn một mẫu máy cố định rồi điều chỉnh đề tài cho phù hợp với thiết bị, hệ thống được xây dựng từ chính câu hỏi nghiên cứu: cần đo gì, kiểm soát gì, dữ liệu cần được ghi như thế nào và điều kiện thí nghiệm cần duy trì ra sao.
Thiết bị có thể là một bộ đo độc lập, hệ ghi dữ liệu nhiều kênh, bộ điều khiển nhiệt độ, hệ lưu lượng, hệ bơm – van, buồng thí nghiệm hoặc một hệ tích hợp nhiều chức năng trong cùng một cấu hình.
Không phải thí nghiệm nào cũng cần chế tạo thiết bị mới. Thiết bị thương mại vẫn là lựa chọn phù hợp khi đã có sản phẩm đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật, độ chính xác, độ an toàn và khả năng hiệu chuẩn.
Thiết kế theo yêu cầu thường có ý nghĩa khi xuất hiện một hoặc nhiều nhu cầu sau:
Điểm quan trọng nhất khi phát triển một thiết bị phòng thí nghiệm là xác định rõ thiết bị được tạo ra để trả lời câu hỏi nào trong nghiên cứu.
Một yêu cầu tốt không nên chỉ là:
“Cần một máy đo nhiệt độ.”
Mà cần làm rõ hơn:
Khi mục tiêu được xác định rõ, việc lựa chọn cảm biến, phần cứng, phần mềm và cấu trúc cơ khí mới có cơ sở.
Tùy ứng dụng, một hệ thống có thể được xây dựng theo chuỗi:
Cảm biến → xử lý tín hiệu → bộ điều khiển → hiển thị/lưu dữ liệu → cơ cấu chấp hành
Không phải hệ thống nào cũng cần đầy đủ các khối này. Một thiết bị chỉ dùng để ghi dữ liệu có thể không cần cơ cấu điều khiển. Ngược lại, một mô hình tự động có thể cần thêm bơm, van, bộ gia nhiệt hoặc các phần tử công suất.
Một trong những nhu cầu phổ biến trong phòng thí nghiệm là đo đồng thời nhiều mẫu hoặc nhiều vị trí.
Ví dụ, một nghiên cứu có thể cần theo dõi:
Mẫu 1 → Kênh 1
Việc sử dụng một hệ đo nhiều kênh giúp các tín hiệu được ghi trên cùng một trục thời gian, thuận lợi cho việc so sánh sự thay đổi giữa các nghiệm thức.
Tùy ứng dụng, hệ thống có thể tiếp nhận các dạng tín hiệu như:
Việc tích hợp phải được xem xét theo từng cảm biến cụ thể, bởi cùng đo một đại lượng nhưng các đầu dò khác nhau có thể sử dụng chuẩn điện và giao tiếp hoàn toàn khác nhau.
Nhiều hiện tượng nghiên cứu xảy ra theo thời gian nên phép đo thủ công tại một vài thời điểm có thể bỏ qua những biến động quan trọng.
Một hệ ghi dữ liệu có thể lưu:
Ví dụ, dữ liệu có thể được tổ chức theo dạng:
Dữ liệu có cấu trúc rõ ràng giúp người nghiên cứu dễ dàng đưa vào bảng tính, phần mềm thống kê hoặc các công cụ xử lý dữ liệu khác.
Một giá trị đo riêng lẻ chỉ cho biết trạng thái tại một thời điểm. Chuỗi dữ liệu liên tục có thể cho biết thêm:
Điều này đặc biệt hữu ích trong các nghiên cứu về nhiệt độ, dòng điện, điện áp, pH, EC, lưu lượng, áp suất hoặc các quá trình sinh học có biến động theo thời gian.
Ngoài chức năng đo, một số thí nghiệm yêu cầu hệ thống chủ động duy trì điều kiện hoặc thực hiện một chuỗi thao tác.
Nguyên lý tổng quát có thể là:
Đo → đánh giá điều kiện → điều khiển → đo lại
Các cơ cấu có thể được tích hợp tùy theo mô hình nghiên cứu như:
Logic điều khiển có thể dựa trên ngưỡng, thời gian, trình tự hoặc kết hợp nhiều điều kiện. Tuy nhiên, thuật toán cần được mô tả rõ để người nghiên cứu biết hệ thống đã tác động vào thí nghiệm tại thời điểm nào và vì sao.
Nhiệt độ là một biến quan trọng trong nhiều thí nghiệm. Tùy yêu cầu, thiết bị có thể được phát triển để:
Đối với các hệ này, vị trí cảm biến, quán tính nhiệt và mức độ đồng đều nhiệt có thể quan trọng không kém giá trị nhiệt độ hiển thị trên màn hình.
Một số nghiên cứu cần kiểm soát dòng khí hoặc dòng chất lỏng. Trong trường hợp đó, hệ thống có thể tích hợp các cảm biến hoặc bộ phận phục vụ theo dõi:
Đường ống, đầu nối và trở lực của toàn hệ cần được xem như một phần của mô hình thí nghiệm. Thay đổi cấu hình đường ống có thể làm điều kiện dòng chảy thay đổi ngay cả khi thiết bị đo không thay đổi.
Một số mô hình nghiên cứu cần theo dõi đồng thời nhiều thông số môi trường. Hệ thống có thể được xây dựng để tiếp nhận những cảm biến phù hợp như:
Việc lựa chọn đầu dò cần dựa trên yêu cầu về dải đo, độ ổn định và khả năng hiệu chuẩn của chính nghiên cứu, không nên chỉ dựa vào việc cảm biến có thể xuất ra một giá trị số.
Một số thí nghiệm cần theo dõi tín hiệu điện rất nhỏ hoặc sự thay đổi điện áp theo thời gian. Trong những trường hợp này, hệ thống đo có thể được phát triển theo hướng:
Các mô hình như pin sinh học, hệ điện hóa hoặc thử nghiệm cảm biến thường có giá trị hơn khi toàn bộ đường biến động được ghi lại thay vì chỉ đo điện áp tại một vài thời điểm.
Một mạch điện tử hoạt động được chưa đồng nghĩa với một thiết bị phòng thí nghiệm đã hoàn chỉnh.
Thiết kế cơ khí cần xem xét:
Với các mô hình nghiên cứu nhỏ, chỉ cần thay đổi vị trí cảm biến hoặc hình học buồng thí nghiệm cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả, vì vậy phần cơ khí cần được thiết kế đồng thời với phần đo lường.
Các thiết bị nghiên cứu thường phải thay đổi theo quá trình phát triển của đề tài. Vì vậy, khi phù hợp, ENVI ưu tiên cấu trúc module.
Một hệ thống có thể gồm:
Module cảm biến + module xử lý + module nguồn + module dữ liệu + module điều khiển
Cách tổ chức này tạo thuận lợi khi cần thay cảm biến, tăng thêm kênh, thay cơ cấu điều khiển hoặc nâng cấp chức năng mà không phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống.
Nhiều thí nghiệm kéo dài liên tục nên thiết bị cần hoạt động ổn định mà không phụ thuộc hoàn toàn vào máy tính.
Tùy yêu cầu, thiết bị có thể được phát triển theo hướng:
Khả năng này đặc biệt quan trọng với các thí nghiệm cần chạy qua đêm hoặc kéo dài nhiều ngày.
Không. Một thiết bị phòng thí nghiệm không cần kết nối mạng nếu dữ liệu chỉ cần được lưu tại chỗ và người sử dụng trực tiếp vận hành hệ thống.
Kết nối từ xa chỉ thực sự có giá trị khi nghiên cứu cần:
Việc bổ sung IoT cần dựa trên nhu cầu thực tế bởi mỗi chức năng thêm vào cũng làm hệ thống phức tạp hơn.
Một thiết bị nghiên cứu không nên được đánh giá chỉ bằng việc “đã chạy được”.
Sau khi chế tạo, tùy mục tiêu, cần xem xét các đặc tính như:
Nếu thiết bị được sử dụng để tạo dữ liệu định lượng, cảm biến và hệ đo cần được đánh giá bằng phương pháp phù hợp.
Tùy ứng dụng, quá trình có thể bao gồm:
Không nên sử dụng thuật ngữ “độ chính xác cao” nếu thiết bị chưa được đánh giá bằng dữ liệu phù hợp.
Thiết bị chế tạo theo yêu cầu có thể rất phù hợp để nghiên cứu, thử nghiệm, theo dõi xu hướng và phát triển công nghệ.
Tuy nhiên, nếu phép đo thuộc một quy trình pháp lý hoặc phương pháp bắt buộc sử dụng thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn, kiểm định hoặc chứng nhận cụ thể thì cần đánh giá riêng.
Một thiết bị tự phát triển không mặc nhiên thay thế được thiết bị quy định chỉ vì cùng đo một đại lượng.
Các thiết bị phòng thí nghiệm có thể liên quan đến nguồn điện, nhiệt, áp suất, cơ cấu chuyển động hoặc các điều kiện thí nghiệm đặc thù. Vì vậy, yêu cầu an toàn cần được xác định ngay từ giai đoạn thiết kế.
Tùy hệ thống, các yếu tố cần xem xét có thể gồm:
Yêu cầu cụ thể phụ thuộc vào loại thiết bị và mục tiêu nghiên cứu.
Một thiết bị theo yêu cầu thường được phát triển theo các bước:
Yêu cầu nghiên cứu → phương án kỹ thuật → nguyên mẫu → kiểm thử → điều chỉnh → hoàn thiện
Giai đoạn nguyên mẫu đặc biệt quan trọng. Đây là lúc xác định cảm biến, cơ cấu và thuật toán có thực sự đáp ứng yêu cầu thí nghiệm hay không trước khi đầu tư vào phần cơ khí và hoàn thiện sản phẩm.
Người nghiên cứu không cần phải tự xác định loại vi điều khiển, mạch điện hoặc linh kiện. Điều quan trọng hơn là mô tả rõ nhu cầu thực tế.
Các thông tin hữu ích gồm:
Từ những thông tin này, mới có thể xây dựng cấu hình kỹ thuật phù hợp và tránh đưa vào thiết bị những chức năng không cần thiết.
ENVI phát triển thiết bị phòng thí nghiệm theo hướng đúng bài toán – đo được – lưu được – kiểm tra được – dễ bảo trì.
Thiết bị không được thiết kế chỉ để có nhiều chức năng. Mỗi chức năng cần có vai trò rõ ràng trong quy trình nghiên cứu.
Các thiết kế ưu tiên:
Thiết bị phòng thí nghiệm theo yêu cầu nghiên cứu phù hợp với những bài toán cần cấu hình đo, ghi dữ liệu hoặc điều khiển mà thiết bị thương mại chưa đáp ứng trực tiếp.
Giá trị của thiết bị không nằm ở việc sử dụng càng nhiều cảm biến hoặc chức năng càng tốt, mà ở khả năng tạo ra điều kiện thí nghiệm có thể kiểm soát, dữ liệu có thể sử dụng và quy trình có thể lặp lại.
Vì vậy, ENVI bắt đầu quá trình phát triển từ mục tiêu nghiên cứu, sau đó mới xác định kiến trúc đo lường, cảm biến, điều khiển, lưu dữ liệu và cơ khí. Cách tiếp cận này giúp thiết bị được xây dựng sát với nhu cầu của đề tài và có khả năng tiếp tục nâng cấp khi hướng nghiên cứu thay đổi.
Thiết bị phòng thí nghiệm theo yêu cầu nghiên cứu
Khi nào cần thiết kế thiết bị phòng thí nghiệm riêng?
Thiết kế bắt đầu từ mục tiêu nghiên cứu
Cấu trúc cơ bản của một hệ thiết bị nghiên cứu
Hệ đo nhiều kênh
Mẫu 2 → Kênh 2
Mẫu 3 → Kênh 3
Mẫu đối chứng → Kênh 4
Ghi dữ liệu tự động cho thí nghiệm
Thời gian
Kênh 1
Kênh 2
Trạng thái
08:00:00
Giá trị đo
Giá trị đo
Đang chạy
08:00:10
Giá trị đo
Giá trị đo
Đang chạy
Đo liên tục giúp thấy được xu hướng
Hệ điều khiển cho mô hình thí nghiệm
Hệ nhiệt cho nghiên cứu
Hệ lưu lượng và áp suất
Thiết bị cho nghiên cứu môi trường và sinh học
Thiết bị cho các mô hình điện và điện sinh học
Cơ khí là một phần của thiết bị nghiên cứu
Ưu tiên thiết kế dạng module
Khả năng hoạt động độc lập
Có cần kết nối IoT cho mọi thiết bị không?
Kiểm thử quan trọng không kém chế tạo
Hiệu chuẩn và đối chứng phép đo
Thiết bị nghiên cứu và thiết bị dùng cho mục đích pháp lý là hai vấn đề khác nhau
An toàn được xem xét ngay từ thiết kế
Một số dạng thiết bị có thể phát triển
Nhóm thiết bị
Mục đích
Bộ ghi dữ liệu nhiều kênh
Theo dõi đồng thời nhiều mẫu hoặc nhiều tín hiệu.
Hệ nhiệt
Theo dõi và kiểm soát điều kiện nhiệt của thí nghiệm.
Hệ lưu lượng
Theo dõi dòng khí hoặc chất lỏng trong mô hình nghiên cứu.
Hệ đo cảm biến
Thử nghiệm và ghi nhận tín hiệu từ nhiều loại đầu dò.
Hệ điều khiển thí nghiệm
Vận hành bơm, van, nhiệt hoặc các cơ cấu theo logic nghiên cứu.
Thiết bị chuyên dụng
Thiết kế riêng cho một quy trình hoặc mô hình nghiên cứu cụ thể.
Quy trình phát triển thiết bị
Thông tin cần cung cấp khi đặt thiết kế
Định hướng phát triển của ENVI
Kết luận
Bài mới nhất
Đang tải bài mới...
0 nhận xét:
Đăng nhận xét