Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng cho xe phun tưới nhựa đường phục vụ cho công trình giao thông

Nghiên cứu khoa học công nghệ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH LƯỢNG
CHO XE PHUN TƯỚI NHỰA ĐƯỜNG PHỤC VỤ
CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
Lê Văn Phúc*
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp thiết kế chế tạo bộ đo lường lượng
chất lỏng rơi xuống mặt đường cho xe phun tưới nhựa đường phục vụ việc thi
công công trình giao thông đường bộ. Bộ định lượng được xây dựng trên định
luật Bernoulli về lưu lượng dòng chảy của chất lỏng, trên cơ sở tính toán được
lưu lượng của chất lỏng kết hợp với vận tốc di chuyển hiện tại của xe sẽ tính toán
ra được lượng rơi của chất lỏng trên một đơn vị diện tích.
Từ khóa: Công trình giao thông; Bộ định lượng; Xe phun tưới nhựa đường.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xe tưới nhựa đường là loại xe đặc dụng cho việc thi công công trình cầu đường,
nó được sử dụng để phun tưới nhựa đường, nhũ tương, chất phụ gia phun lên mặt
đường để tạo nên liên kết giữa các đá cát sỏi tạo trên bề mặt thi công. Xe phun tưới
nhựa đường dùng áp suất cao và nhiệt độ cao để làm lỏng hỗn hợp nhựa đường cần
phun xuống bề mặt cần liên kết, tạo liên kết cho các lớp đá sỏi trải trên đường.

Hình 1. Xe tưới nhựa đường phục vụ thi công đường bộ.
Để trải thảm đều nhũ tương trên mặt đường sao cho các vị trí trên mặt đường
cần phải có lượng nhũ tương rơi đều nhau ngoài việc đầu phun của xe phải phun ra
nhựa đường dạng sương mù thì cần phải phối hợp giữa vận tốc di chuyển của xe và
lượng nhựa đường thoát ra trên các đầu phun. Do trong quá trình phun nhựa đường
thường được gia nhiệt ở nhiệt độ 80∘C đến 110∘C và áp suất trong bồn chứa nhựa
đường thường được nén từ 2 đến 5 bar. Nên để đo được lưu lượng nhựa đường

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019

227


Đo lường & Tin học

chảy qua các đầu phun thì yêu cầu các cảm biến đo lưu lượng phải làm việc ở nhiệt
độ và áp suất như vậy. Các cảm biến đo lưu lượng thường được sử dụng trên thị
trường thường là các loại sau:
Các cảm biến đo lưu lượng dạng cánh quạt có đặc điểm là chịu nhiệt kém, chịu
áp suất cao kém. Cánh của cảm biến không quay được ở các lần sử dụng tiếp theo
do khi sử dụng xong, nhựa đường sẽ nguội và biến thành keo bán vào trục quay
của cảm biến.
Cảm biến siêu âm và cảm biến bằng laze là những cảm biến có thể hoạt động ở
môi trường nhiệt độ cao, và áp suất lớn. Nhưng khi sử dụng xong có thể nhựa
đường đông đặc sẽ bám vào phần đầu đo laze, hoặc siêu âm làm cho phép đo mất
chính xác ở các lần đo tiếp theo. Mặt khác các cảm biến này có giá thành rất cao,
do vậy khó có thể triển khai trong thực tiễn khi đưa vào lắp đặt cho xe.
Do các vấn đề như vậy, tác giả đề xuất xây dựng một bộ đo lưu lượng nhựa
đường có thể giải quyết các vấn đề đặt ra như làm việc được ở nhiệt độ và áp suất
cao và có thể sử dụng được nhiều lần, có giá thành phù hợp khi đưa vào sản xuất.
2. XÂY DỰNG NGUYÊN LÝ BỘ ĐỊNH LƯỢNG

Chúng ta đã biết theo định luật Becnuli lưu lượng chất lỏng được định nghĩa
bằng biểu thức:
A = V*S
(1)
3
A: Là lưu lượng chất lỏng (m /s)
V: tốc độ dòng chảy của chất lỏng (m/s).
S: Tiết diện dòng chảy (m2)

Hình 2. Mô hình bình chứa chất lỏng của xe tưới nhũ tương.
Và theo định luật Becnuli [1] [2] chúng ta sẽ biết rằng trong một dòng chảy ổn
định mọi dạng năng lượng dọc theo đường dòng là như nhau tại mọi điểm trên
đường dòng đó. Tổng áp suất tĩnh và áp suất động tại một điểm bất kỳ là không
đổi:
1
1
V12  gh1  P1  V22  gh2  P2
(2)
2
2
228

Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng … cho công trình giao thông.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

V1, V2: vận tốc của dòng chất lỏng trong bồn chứa và ở miệng thoát chất lỏng.
ρ:
khối lượng riêng của chất lỏng.
h1, h2: độ cao chất lỏng trong bồn chứa và độ cao của miệng thoát chất lỏng.
P1, P2: áp suất chất lỏng trong bồn chứa và tại miệng thoát (bằng áp suất khí
quyển).
Thực tế chúng ta thấy rằng vận tốc dòng chảy chất lỏng trong bồn chứa là rất nhỏ
có thể coi xấp xỉ bằng 0. Do vậy công thức (2) có thể viết lại được bằng:
1
V22  ( P1  P2 )  g (h1  h2 )
(3)

2
1
V22  P  g (h1  h2 )
(4)
2
Do áp suất trong bồn được nén rất cao so với áp suất gây ra bởi cột chất lỏng tĩnh
ΔP >> ρg(h1 – h2). Như vậy tốc độ dòng chảy V2 thoát ra ở diện tích S2 có thể được
xác định bằng công thức:
2P
V2 
(5)

Thay vào công thức (1) chúng ta có thể tính được lưu lượng chất lỏng thoát ra ở vị
trí miệng của đầu phun S2:
2P
A  S2 *
(6)

Để xác định lượng rơi của chất lỏng trên một đơn vị diện tích, sử dụng công thức:
A
Lr 
vL
S
2P
Lr  2 *
(7)
v

P
v

Lr : Lượng rơi của chất lỏng trên đơn vị 1 m2 (lít / m2).
A : Lưu lượng chất lỏng (lít/s).
v : Vận tốc di chuyển của xe tưới(m/s).
L : Chiều dài của vệt chất lỏng theo chiều ngang (m).
S
2 : Là hằng số phụ thuộc vào thiết kế của xe tưới và chất lỏng sử
k 2*
dụng để phun tưới
L

Lr  k *

Kết luận: Để xây dựng được bộ định lượng cho xe tưới nhũ tương từ công thức
7 chúng ta phải xác định được các tham số đầu vào cho bộ định lượng như sau:
- Xác định được diện tích mặt cắt thoát chất lỏng S2;
- Xác định chiều dài của vệt chất lỏng theo chiều ngang của đường L;
- Xác định được áp suất chênh lệch trong bồn chứa và áp suất khí quyển;
- Xác định khối lượng riêng của chất lỏng ρ và xác định vận tốc di chuyển của
xe tưới.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019

229


Đo lường & Tin học

3. THIẾT KẾ BỘ ĐỊNH LƯỢNG CHO XE PHUN NHỰA ĐƯỜNG
3.1. Xây dựng sơ đồ khối cho thiết bị đo
Căn cứ vào kết luận tại mục 2, bộ định lượng có cấu trúc như sau:

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc bộ định lượng.
Bộ xử lý trung tâm sẽ tiến hành đo vận tốc xe, đo áp suất trong bồn chứa kết
hợp cùng với các tham số được nhập vào từ bàn phím là chiều dài vệt phun, tổng
tiết diện của các lỗ thoát chất lỏng, và khối lượng riêng của chất lỏng.
3.2. Thiết kế phần cứng bộ định lượng

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý bộ định lượng.
230

Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng … cho công trình giao thông.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Khối xử lý trung tâm được thiết kế và chế tạo trên nền vi điều khiển
Pic18F45K20. Tín hiệu từ cảm biến tốc độ của xe được gắn ở trục truyền động của
xe. Tín hiệu cảm biến ở dạng xung vuông, Mỗi một xung tương ứng với một vòng
quay của bánh xe, được đưa đến chân số 16, 17 của chip Pic18F45K20 [3]. Hai
chân này của vi điều khiển là 2 chân CCP1 và CCP2 có chức năng so sánh sườn
lên và sườn xuống của xung từ cảm biển vận tốc để xác định độ rộng xung, từ độ
rộng xung của cảm biến vận tốc chúng ta tính được vận tốc của xe tưới nhũ tương.
Áp suất trong bồn chứa chất lỏng của xe phun tưới nhựa đường qua ống ống dẫn
khí và đưa vào cảm biến áp suất. Tín hiệu của cảm biến áp suất trả về bộ điều
khiển trung tâm là tín hiệu analog, tín hiệu này đi qua bộ lọc thông thấp RC để loại
bỏ những thành phần nhiễu tần số cao, sau đó được đưa vào chân số 2 của chip
Pic18F45K20. Tín hiệu analog sẽ được số hóa sang tín hiệu số bởi bộ chuyển đổi
ADC của bộ vi điều khiển PIC18F45K20. Căn cứ vào giá trị ADC chúng ta sẽ xác
định được áp suất trong bồn chứa.
Để hiển thị các tham số cần hiển thị của bộ định lượng sơ đồ nguyên lý màn

hiển thị được thiết kế như hình 5 dưới đây:

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý màn hình hiển thị.
Sơ đồ trên là sơ đồ nguyên lý màn hình hiển thị các tham số của bộ định lượng.
Màn hình hiển thị được cấu tạo bởi các led 7 thanh và các IC ghi dịch 74HC595.
Khi có dữ liệu cần hiển thị. Khối xử lý trung tâm sẽ xuất dữ liệu gửi lên màn hình
Trên màn hình sẽ hiển thị Lượng phun đặt Lđ là lượng chất lỏng yêu cầu cần rơi
trên đơn vị 1 m2, vận tốc đặt Vđ là vận tốc yêu cầu cho lái xe để điều khiển xe đi
đúng theo vận tốc đó để đạt được lượng phun Lđ. Vận tốc thực Vt chính là là vận
tốc hiện tại của xe đang di chuyển, Lt là lượng phun thực của xe ứng với vận tốc
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019

231


Đo lường & Tin học

của xe hiện tại. Ngoài ra trên màn hình còn hiển thị áp suất hiện tại trong bồn chứa
chất lỏng.
3.3. Xây dựng thuật toán cho bộ định lượng

Start

Nhập các tham số L, ρ, S

Nhập lượng phun đặt
Khởi tạo timer

Ngắt timer?

Đọc ADC

Đọc giá trị vận tốc

Tính toán lượng phun
thực

Kết thúc
Hình 6. Lưu đồ thuật toán bộ định lượng.
3.4. Kết quả thực nghiệm của bộ định lượng được thử nghiệm trong thực tế
Bộ định lượng được lắp đặt gắn trên cabin xe phun tưới nhựa đường, kết nối đầu
trích áp suất bồn chứa, kết nối với cảm biến tốc độ của xe. Trên cơ sở lượng chất
lỏng yêu cầu rơi trên một đơn vị diện tích, và áp suất trong bồn chứa của xe, bộ
định lượng sẽ tính toán ra tốc độ cần di chuyển của xe để đạt được lượng phun thực
sát với lượng phun yêu cầu. Dưới đây là bảng kết quả thử nghiệm bộ định lượng
trong thực tế.

232

Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng … cho công trình giao thông.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Bảng 1. Kết quả thử nghiệm bộ định lượng trong thực tế.
STT

Lượng phun đặt (gam/m2)

Lượng phun thực(gam/m2)

Sai số

1
200
203
+3
2
200
198
-2
3
200
202
+2
4
200
199
-1
Từ kết quả trên thấy rằng sai số giữa lượng phun thực và lượng phun đặt sai số
nhỏ hơn ±5g/m2. Kết quả sai số như vậy được chấp nhận trong thực tế thi công
công trình giao thông đường bộ.
4. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày cách thức xây dựng phương pháp đo lưu lượng chất lỏng rơi
xuống bề mặt phẳng thông qua phương pháp đo gián tiếp bằng cách xác định các
tham số của xe phun tưới là vận tốc xe, áp suất bồn chứa chất lỏng, tiết diện miệng
phun chất lỏng, chiều dài vệt chất lỏng trên đường, khối lượng riêng của chất lỏng.
Kết quả của bài báo là cơ sở để thiết kế chế tạo bộ đo lường định lượng lắp đặt cho
các xe phun tưới nhũ tương nhựa đường cho công trình giao thông trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Ruqiong Qina, Chunyi Duan, “The principle and applications of Bernoulli
equation,” Journal of Physics Conference Series, số 916 (2017), tr. 1-6.
[2]. Hoàng Đức Quỳnh, Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Quang Hùng, “Thiết kế bộ
điều khiển dự báo cho đối tượng van công nghiệp”, Tạp chí nghiên cứu
KH&CN Quân sự/ Viện KH&CN Quân sự, Đặc san TĐH (4/2014) ISSN:
1859-1043.
[3]. Microchip, “DS40001303H”, PIC18F2XK20/4XK20, Data sheet, tr. 100 – 144.
ABSTRACT
RESEARCH FOR DESIGNING THE MEASURES FOR ASPHALT WATER
TRUCK SERVICE CONSTRUCTION OF TRAFFIC WORKS
The paper presents the method of designing and manufacturing the measure of
the amount of liquid falling on the road for asphalt sprinklers for the construction of
road traffic works. The quantitative set is based on Bernoulli's law of fluid flow, on
the basis of calculating the flow of liquid in combination with the current movement
speed of the vehicle, it calculates the amount of drop liquid per unit area.
Keywords: Asphalt water truck; Asphalt sprinklers.

Nhận bài ngày 21 tháng 01 năm 2019
Hoàn thiện ngày 28 tháng 02 năm 2019
Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019
Địa chỉ:

Viện Tự động hóa KTQS / Viện KH-CNQS.
* Email :

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019

233