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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 227 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 Đo lường & Tin học Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng cho công trình giao thông.” 228 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) A: Là lưu lượng chất lỏng (m3/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: 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 V gh P V gh P       (2) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 229 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: 2 2 1 2 1 2 1 ( ) ( ) 2 V P P g h h     (3) 2 2 1 2 1 ( ) 2 V P g h h     (4) 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 2 P V    (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 2 * P A S    (6) Để xác định lượng rơi của chất lỏng trên một đơn vị diện tích, sử dụng công thức: 2 2* * r r r A L vL S P L v P L k v       (7) Lr : Lượng rơi của chất lỏng trên đơn vị 1 m2 (lít / m 2). 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). 2 2* S k L   : Là hằng số phụ thuộc vào thiết kế của xe tưới và chất lỏng sử dụng để phun tưới 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. Đo lường & Tin học Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng cho công trình giao thông.” 230 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 231 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 Đo lường & Tin học Lê Văn Phúc, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ định lượng cho công trình giao thông.” 232 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 Ngắt timer? Đọc ADC Đọc giá trị vận tốc Tính toán lượng phun thực Kết thúc Nhập lượng phun đặt Khởi tạo timer 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 233 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 : levanphuccapiti@gmail.com.