Thông số kỹ thuật vận hành an toàn và chính xác cùng Hệ thống phòng ngừa và kiểm soát rủi ro cho Buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp luân phiên

Là thiết bị cốt lõi trong lĩnh vực kiểm tra độ tin cậy môi trường, buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp luân phiên đóng vai trò không thể thay thế trong các quy trình xác minh chất lượng của linh kiện điện tử, vật liệu hàng không vũ trụ, phụ tùng ô tô, sản phẩm hóa học và các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, trong quá trình ứng dụng thực tế, một số người vận hành thường bỏ qua một số chi tiết vận hành quan trọng do thiếu hiểu biết về cơ chế hoạt động của thiết bị hoặc nhận thức an toàn chưa đầy đủ. Những khía cạnh tưởng chừng nhỏ nhặt này thực sự tạo ra rủi ro tiềm ẩn đối với độ chính xác của dữ liệu thử nghiệm, sự ổn định vận hành của thiết bị và an toàn của nhân viên. Để đảm bảo quy trình thử nghiệm hiệu quả, kết quả thử nghiệm chính xác và môi trường làm việc an toàn, nội dung dưới đây trình bày có hệ thống các quy trình vận hành tiêu chuẩn hóa và các điểm phòng ngừa, kiểm soát rủi ro cho buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp luân phiên, nhằm cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho công tác quản lý tiêu chuẩn hóa phòng thí nghiệm.

1. Hệ thống bảo vệ an toàn điện và Quản lý độ tin cậy của hệ thống nối đất
Trong quá trình lắp đặt và định vị thiết bị ban đầu, việc thực hiện nghiêm ngặt các biện pháp bảo vệ nối đất khung máy là bắt buộc. Yêu cầu này dựa trên các tiêu chuẩn an toàn điện cơ bản, nhằm thiết lập đường dẫn xả dòng điện lỗi đáng tin cậy để ngăn ngừa tai nạn giật điện do hỏng cách điện dây nguồn, rò rỉ linh kiện bên trong hoặc tích tụ điện áp cảm ứng. Giá trị điện trở nối đất phải được kiểm tra định kỳ bằng thiết bị kiểm tra điện trở nối đất chuyên nghiệp để đảm bảo không lớn hơn 4 ohm, tuân thủ tiêu chuẩn GB 4793.1 Yêu cầu An toàn cho Thiết bị Điện dùng trong Đo lường, Kiểm soát và Sử dụng trong Phòng thử nghiệm. Dây dẫn nối đất phải là cáp lõi đồng hai màu vàng-xanh có tiết diện không nhỏ hơn 2,5mm² và phải được nối chặt chẽ với mạng nối đất độc lập của phòng thử nghiệm; nối đất nối tiếp hoặc kết nối ảo bị nghiêm cấm. Bỏ qua yêu cầu này có thể làm cho khung máy thiết bị có điện, gây ra mối đe dọa gây tử vong đối với người vận hành, đồng thời dễ gây nhiễu tín hiệu hệ thống điều khiển và dẫn đến độ lệch điều khiển nhiệt độ.
2. Các hoạt động bị cấm đối với việc Mở/Đóng cửa Buồng và Cơ chế Ổn định Trường Nhiệt
Trong quá trình vận hành thiết bị theo các chương trình làm nóng và làm lạnh, việc mở cửa buồng thử nghiệm không cần thiết bị nghiêm cấm tuyệt đối. Việc mở cửa sẽ trực tiếp gây ra sự đối lưu mạnh của không khí nóng và lạnh giữa không gian làm việc và môi trường bên ngoài, phá vỡ phân bố trường nhiệt độ đều đã được thiết lập và gây ra dao động nhiệt độ cục bộ vượt quá ±5°C, nghiêm trọng ảnh hưởng đến sự ổn định của điều kiện thử nghiệm. Quan trọng hơn, mở cửa trong điều kiện nhiệt độ cao có thể gây ra các đợt không khí nóng phun ra, dẫn đến bỏng mặt và tay cho người vận hành; mở cửa trong điều kiện nhiệt độ thấp sẽ cho phép lượng lớn không khí nóng ẩm xâm nhập, nhanh chóng làm đóng tuyết bề mặt dàn lạnh, chặn các kênh không khí, giảm hiệu quả trao đổi nhiệt và thậm chí gây hỏng do nước vào máy nén. Nếu việc mở cửa thực sự cần thiết để quan sát trạng thái mẫu, việc này phải được thực hiện qua cửa sổ quan sát; nếu việc mở cửa là bắt buộc, nó phải được thực hiện khi buồng thử nghiệm ở phạm vi nhiệt độ bình thường (25±5°C) và ở trạng thái tắt máy, với góc mở không vượt quá 30° và thời lượng được kiểm soát trong 15 giây.
3. Điều khiển Khoảng thời gian Khởi động/Dừng đối với Hệ thống Làm lạnh và Chiến lược Bảo vệ Máy nén
Khi máy làm lạnh đã bị tắt trong khoảng thời gian ngắn 15 phút, việc khởi động lại ngay lập tức bị nghiêm cấm tuyệt đối. Hạn chế này bắt nguồn từ yêu cầu cân bằng áp suất và cơ chế trả dầu bôi trơn bên trong máy nén. Tại thời điểm tắt máy, áp suất phía cao áp của hệ thống vẫn có thể đạt trên 1,5 MPa, trong khi phía thấp áp ở trạng thái chân không. Khởi động ép buộc sẽ làm cho mô men xoắn tải của động cơ vượt quá giá trị định mức hơn 300%, dẫn đến cháy động cơ do quá nhiệt hoặc hỏng tụ khởi động. Đồng thời, máy nén không có đủ dầu trả lại có thể gây ra làm mất dầu bôi trơn của các bộ phận chuyển động, tăng tốc sự mòn cơ học. Quy định vận hành đúng là: sau khi tắt máy, chờ ít nhất 20-30 phút để sự chênh lệch áp suất cao-thấp cân bằng tự nhiên và dầu bôi trơn hoàn toàn trở về thùng dầu trước khi khởi động lại. Đối với thiết bị được trang bị bộ điều khiển thông minh, hệ thống có bảo vệ trễ tích hợp sẵn 3-5 phút. Các thao tác thủ công nên tránh chuyển đổi thường xuyên, với chu kỳ khởi động/dừng hàng ngày không vượt quá 6 lần.
4. Nguyên tắc Cấu hình Nguồn điện Độc lập cho Các Mẫu Tạo nhiệt Cao
Nếu tổng công suất tạo nhiệt của các mẫu được tải vượt quá giới hạn tải nhiệt tương ứng với thể tích không gian làm việc (thường được tính là 50W/L), phải sử dụng nguồn điện độc lập bên ngoài; việc sử dụng trực tiếp các ổ cắm bên trong thiết bị bị nghiêm cấm tuyệt đối. Thiết kế mạch điện nội bộ chỉ chịu tải cho truyền tín hiệu thông thường và các tải điều khiển công suất thấp, với dòng điện định mức của nó nói chung không vượt quá 5A. Việc nối các tải dòng điện cao sẽ gây ra nhiệt do quá tải mạch trong, tăng tốc quá trình lão hóa lớp cách điện và thậm chí cháy do chập mạch. Khi cấu hình nguồn điện độc lập, cần đảm bảo dung lượng dây nguồn phù hợp, khuyến nghị sử dụng cáp có tiết diện không nhỏ hơn 1,5mm² và lắp đặt các cầu dao chống rò rỉ độc lập. Cáp nguồn của mẫu và cáp điều khiển thiết bị phải được định tuyến riêng biệt, duy trì khoảng cách hơn 10cm để tránh nhiễu điện từ ảnh hưởng đến độ chính xác tín hiệu cảm biến nhiệt độ.
5. Hạn chế Mở cửa Buồng trong quá trình Chuyển tiếp Nhiệt độ Cao-Thấp
Khi thực hiện các cấu hình thử nghiệm chuyển từ nhiệt độ cao sang thấp, thời gian mở cửa buồng phải được kiểm soát ở mức tối thiểu. Sau giai đoạn nhiệt độ cao, nhiệt độ không gian làm việc có thể đạt trên 150°C. Việc mở cửa một cách bất cẩn lúc này không chỉ khiến mẫu chịu sốc nhiệt bất ngờ mà còn tạo ra độ dốc nhiệt độ và thay đổi điểm sương nghiêm trọng bên trong buồng. Không khí nóng chứa nhiều hơi ẩm ngưng tụ nhanh chóng khi gặp lạnh, tạo thành lượng lớn giọt nước trên các tấm ống gió, vỏ bọc cảm biến và dải niêm phong; độ ẩm này có thể đóng băng và giãn nở trong các giai đoạn nhiệt độ thấp sau đó, gây ra biến dạng thành phần cấu trúc, làm vỡ vỏ bọc cảm biến điện trở bạch kim hoặc làm hỏng niêm phong. Yêu cầu vận hành tiêu chuẩn: nếu cần điều chỉnh mẫu trên nền tảng giữ sau giai đoạn làm nóng, hãy đợi nhiệt độ giảm xuống dưới 60°C trước khi mở cửa, thời gian mở không quá 10 giây, đồng thời nhanh chóng lau hơi nước ngưng tụ có thể nhìn thấy bằng giấy thấm.
6. Cơ chế Kiểm định Định kỳ cho Thiết bị Bảo vệ An toàn
Cầu dao tích hợp sẵn và bộ bảo vệ quá nhiệt là tuyến phòng thủ cuối cùng để bảo vệ mẫu và nhân viên, cần có cơ chế kiểm tra định kỳ. Cầu dao phải được kiểm tra khả năng ngắt mạch hàng tháng, sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng để mô phỏng dòng điện ngắn mạch, xác minh xem chúng có thể không bị ngắt trong 1 giờ ở dòng điện 1,13 lần giá trị định mức và ngắt đáng tin cậy trong 1 giờ ở dòng điện 1,45 lần hay không. Các thiết bị bảo vệ quá nhiệt (thường là công tắc nhiệt độ hai kim loại hoặc điện tử) phải được hiệu chuẩn hàng quý bằng nguồn nhiệt độ chuẩn, với độ lệch điểm đặt không vượt quá ±2°C. Trong quá trình hiệu chuẩn, mạch điều khiển chính phải được ngắt kết nối, và đầu dò bảo vệ được đặt cùng với nhiệt điện trích chuẩn trong trường nhiệt để ghi lại giá trị nhiệt độ tác động. Nếu phát hiện lỗi thiết bị bảo vệ, thiết bị phải dừng ngay lập tức và thay thế bằng các phụ tùng thay thế được chứng nhận gốc; việc che chắn hoặc làm ngắn mạch vòng bảo vệ cho các hoạt động không tuân thủ bị nghiêm cấm tuyệt đối.
7. Quản lý Tiêu thụ Năng lượng và Kiểm soát Tải nhiệt cho Hệ thống Chiếu sáng
Thiết bị chiếu sáng tích hợp sẵn của buồng thử nghiệm phải được tắt ngay lập tức sau khi tải mẫu hoàn tất. Mặc dù thiết bị chiếu sáng có công suất tương đối thấp (thường là 15-25W), nhưng tác động tích lũy tạo nhiệt của nó không thể bỏ qua. Trong điều kiện nhiệt độ thấp -40°C, nhiệt bức xạ từ một thiết bị có thể làm tăng nhiệt độ khu vực cục bộ từ 2-3°C, làm ảnh hưởng đến các chỉ số độ đều nhiệt. Trong khi đó, vận hành kéo dài của hệ thống chiếu sáng sẽ làm tăng tốc quá trình suy giảm quang thông, rút ngắn tuổi thọ và tăng tiêu thụ năng lượng không cần thiết. Thiết bị hiện đại chủ yếu áp dụng nguồn sáng lạnh LED, nhưng vẫn khuyến nghị tắt khi không cần thiết. Có thể đặt chế độ thông minh thông qua bộ điều khiển: “bật khi mở cửa, tự động tắt sau 30 giây khi đóng cửa”, đạt được sự cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng và thuận tiện.
8. Thủ tục Xử lý trước Khử ẩm trước Thử nghiệm Nhiệt độ Thấp
Trước khi thực hiện thử nghiệm nhiệt độ dưới điểm đóng băng, việc xử lý sấy khô triệt để bên trong không gian làm việc là bắt buộc. Độ ẩm còn lại sẽ đóng rắn thành tinh thể băng trong môi trường nhiệt độ thấp, có thể chặn các kênh tuần hoàn không khí, làm đóng băng và trương phồng cấu trúc cố định giá đỡ mẫu. Nghiêm trọng hơn, khi độ ẩm thấm vào vỏ bọc cảm biến nhiệt độ hoặc khe hở thiết bị, ứng suất cơ học từ sự giãn nở do đóng băng có thể đạt hơn 200 MPa, đủ để phá hủy khung gốm của cảm biến điện trở bạch kim PT100 hoặc gây nứt vòng niêm phong. Thủ tục khử ẩm tiêu chuẩn là: ở nhiệt độ phòng, mở cửa buồng để thông gió trong 30 phút, sử dụng vải không dệt sạch lau các bức tường bên trong, tấm gió và giá đỡ mẫu; sau đó khởi động thiết bị và vận hành ở 8°C trong 1 giờ để sấy khô khử ẩm, chỉ chuyển sang chương trình nhiệt độ thấp sau khi độ ẩm giảm xuống dưới 10%RH. Đối với các thử nghiệm nhiệt độ cực kỳ thấp (dưới -70°C), khuyến nghị bổ sung bằng cách đặt chất hút ẩm silica gel và lắp đặt giao diện sấy khô chân không.
9. Yêu cầu Chờ Cân bằng Nhiệt sau khi Hoàn thành Thử nghiệm
Sau khi chương trình thử nghiệm kết thúc, việc mở ngay lập tức cửa không gian làm việc bị nghiêm cấm tuyệt đối. Nhiệt độ bên trong có thể vẫn còn ở trạng thái cực đoan (nhiệt độ cao đạt 180°C hoặc nhiệt độ thấp đạt -70°C). Mở cửa ngay lập tức sẽ gây ra đối lưu không khí mạnh và trao đổi nhiệt. Trong điều kiện nhiệt độ cao, dòng không khí chảy ra có thể vượt quá 100°C, vượt xa giới hạn chịu đựng của con người, gây bỏng cấp độ hai trong 2 giây tiếp xúc; trong điều kiện nhiệt độ thấp, sự bốc hơi tức thời của không khí lạnh có thể gây giảm nhanh điểm sương trong môi trường vi tại chỗ, làm đóng tuyết bề mặt mẫu và ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo sau này. Thực hành đúng là: đợi thiết bị quay trở lại tự nhiên dưới 60°C (sau thử nghiệm nhiệt độ cao) hoặc trên -10°C (sau thử nghiệm nhiệt độ thấp), hoặc thực thi chương trình “quay về nhiệt độ bình thường” qua bộ điều khiển. Cửa buồng chỉ có thể mở khi nhiệt độ gần nhiệt độ môi trường và đèn chỉ báo cân bằng áp suất bật sáng. Quá trình này thường mất 30-60 phút, tùy thuộc vào nhiệt độ cực trị được đặt và thể tích không gian làm việc.
10. Tiêu chuẩn Bảo vệ Cá nhân cho Việc Lấy Mẫu Nhiệt độ Cao
Khi lấy mẫu từ thiết bị vừa hoàn thành thử nghiệm nhiệt độ cao, phải đeo găng tay bảo vệ nhiệt tuân thủ GB 24541 Bảo vệ Tay – Găng tay bảo vệ chống Hóa chất và Vi sinh vật. Nhiệt độ bề mặt mẫu có thể vẫn giữ nguyên giá trị đã đặt; ví dụ, mẫu ở 150°C vẫn có thể giữ trên 120°C trong 5 phút, và tiếp xúc trực tiếp sẽ gây bỏng nghiêm trọng. Khuyến nghị sử dụng găng tay cách nhiệt sợi aramid hoặc phủ amiăng với Chỉ số Hiệu năng Bảo vệ Nhiệt tiếp xúc (HTI) lớn hơn 24, đảm bảo ít nhất 15 giây bảo vệ khi tiếp xúc vật ở 300°C. Các thao tác lấy mẫu phải nhanh chóng và chính xác, có sự hỗ trợ của thiết bị cố định chuyên dụng chịu nhiệt cao. Sau khi lấy ra, mẫu phải được đặt ngay lên đệm cách nhiệt sợi gốm kèm biển báo cảnh báo. Nên trang bị thiết bị tắm vòi sen khẩn cấp tại khu vực lấy mẫu và xây dựng kế hoạch ứng phó khẩn cấp cho bỏng để đảm bảo xử lý ngay lập tức khi tai nạn xảy ra.
11. Cơ chế Ảnh hưởng của Bố trí Tải mẫu đến Độ đều của Trường Nhiệt
Việc đặt mẫu thử nghiệm phải tuân thủ nguyên tắc phân bố đều, chiếm 1/3 đến 2/3 thể tích hiệu dụng của không gian làm việc, đồng thời đảm bảo các kênh tuần hoàn không khí không bị cản trở. Xếp chồng quá dày đặc sẽ cản trở dòng không khí, làm giảm tốc độ gió cục bộ xuống dưới 0,5m/s, khiến tốc độ thay đổi nhiệt độ giảm hơn 40% và tạo độ dốc nhiệt độ vượt quá ±5°C, không đáp ứng yêu cầu độ đều quy định trong tiêu chuẩn GB/T 2423.1. Các mẫu phải duy trì khoảng cách tối thiểu 5cm giữa chúng và không ít hơn 10cm từ các bức tường bên trong; các khu vực lỗ ra và lỗ trả khí tuyệt đối không được chắn. Đối với mẫu có hình dạng không đều, hãy sử dụng giá đỡ mẫu rỗng và điều chỉnh góc đặt để tránh tạo ra vùng chết xoáy. Khuyến nghị khối lượng tải tổng không vượt quá 80% công suất danh định của thiết bị để ngăn mòn quá tải các bộ phận truyền động.
12. Nguy cơ của Vận hành Có điện trên Giao diện Truyền thông và Thủ tục Bảo vệ ESD
Khi kết nối thiết bị với máy tính để thiết lập chương trình hoặc thu thập dữ liệu, kết nối giao diện vật lý phải hoàn thành ở trạng thái tắt nguồn. Việc cắm/rút khi có điện các cổng nối tiếp DB9 hoặc cổng mạng RJ45 có thể tạo ra điện áp cảm ứng hàng chục volt, làm hỏng mạch CMOS của chip truyền thông bộ điều khiển, gây gián đoạn truyền thông, mất dữ liệu hoặc thậm chí hỏng bo mạch chủ. Các mạch giao diện thường thiếu thiết kế bảo vệ cắm nóng, và xả điện tĩnh (ESD) là mối đe dọa chính. Quy trình chuẩn là: trước tiên tắt nguồn chính của thiết bị và chờ 5 phút để tụ điện xả, sau đó tắt nguồn máy tính, tiếp theo là kết nối cáp và cuối cùng bật nguồn theo thứ tự. Nên đeo dây đeo cổ tay chống tĩnh điện khi kết nối, siết chặt vít giao diện để tránh dao động tín hiệu do tiếp xúc kém. Khuyến nghị sử dụng mô-đun truyền thông cách quang để cô lập điện vòng lặp truyền thông khỏi mạch điều khiển chính, tăng cường khả năng chống nhiễu.
13. Quản lý Năng lượng và Bảo vệ An toàn Điện trong Thời gian Thiết bị Không hoạt động
Sau khi hoàn thành các nhiệm vụ thử nghiệm, công tắc nguồn chính của thiết bị phải được tắt hoàn toàn, không chỉ là nút dừng trên bảng điều khiển. Trạng thái chờ của thiết bị vẫn tiêu thụ 30-50W, với các hệ thống điều khiển và cảm biến vẫn còn nguồn, lãng phí năng lượng và tăng rủi ro hỏng hóc do sét đánh. Cắt nguồn chính có thể ngăn hỏng các bộ phận chính xác do các biến động điện áp lưới ban đêm bất thường và giảm xác suất cháy điện. Quy trình tắt máy phải là: trước tiên thực thi quy trình tắt máy bình thường qua bộ điều khiển, chờ máy nén và quạt ngừng hoạt động hoàn toàn, sau đó ngắt cầu dao nguồn chính và cuối cùng tắt công tắc nhánh tủ phân phối phòng thí nghiệm. Đối với trường hợp ngừng hoạt động dài hạn (vượt quá 7 ngày), khuyến nghị rút dây nguồn và đặt các gói chất hút ẩm bên trong tủ điều khiển để ngăn chặn sự xâm thực độ ẩm làm hỏng bo mạch. Trước khi kích hoạt lại, phải thực hiện thử nghiệm điện trở cách điện để đảm bảo không ít hơn 2MΩ.
Xây dựng Hệ thống Quản lý Toàn diện và Cơ chế Cải tiến Liên tục
Tóm lại, việc sử dụng buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp luân phiên một cách an toàn và chính xác là một dự án kỹ thuật hệ thống, liên quan đến nhiều chiều bao gồm an toàn điện, điều khiển nhiệt, bảo vệ cơ khí và các quy tắc hành vi của nhân viên. Người quản lý phòng thí nghiệm nên tích hợp các điểm được đề cập ở trên vào Quy trình Vận hành Tiêu chuẩn (SOP), tổ chức đào tạo bổ sung hàng quý cho người vận hành và tăng cường giám sát thực thi thông qua giám sát video và kiểm toán dữ liệu. Chỉ khi làm nội tại hóa nhận thức chuẩn mực và biểu hiện nó trong hành động mới có thể phát huy toàn bộ tiềm năng hiệu suất của thiết bị, đảm bảo đầu ra dữ liệu thử nghiệm chất lượng cao, đồng thời xây dựng các rào cản bảo vệ an toàn vững chắc cho nhân viên và thiết bị, đạt được vận hành phòng thí nghiệm ổn định và hiệu quả lâu dài. Đối với các tình huống bất thường không được đề cập trong quy trình, nên thiết lập kênh phản hồi nhanh để liên hệ ngay lập tức với đội ngũ hỗ trợ kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị, tránh làm leo thang vấn đề do xử lý mù quáng.