Capítulo 4. Elementos finais de controle

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1 apítulo 4 Elementos inais de controle Dispositio que aria a quantidade de energia ou material (agente de controle) a ser transportado, em resposta ao sinal eniado pelo controlador, a im de manter a ariáel controlada em um alor prédeterminado. Uma álula de controle unciona como uma resistência ariáel em uma tubulação. É o elemento inal de controle mais usado em sistemas de controle industrial.

2 Um exemplo de sistema automático de controle: Reerência de temperatura Sinal de controle ontrolador onersor realimentação Medição (temperatura) Os elementos inais de controle ornecem a necessária ampliicação de orças entre os baixos níeis de energia, ornecidos pelos controladores, e os maiores níeis de energia necessários para desempenho de suas unções de adequação do luxo de luidos em um processo. Elemento inal de controle VÁVUA Partes de uma álula ATUADOR Atuador Pneumático Tipo Mola Diaragma Atuador Pneumático Tipo Pistão Atuador Pneumático Dupla Ação Atuador Elétrico Atuador Hidráulico ORPO ATUADOR(pneumático, elétrico e hidráulico) Elemento responsáel em proporcionar a orça motriz necessária ao uncionamento da álula. Sendo parte integrante do sistema de controle, quando corretamente selecionado, dee proporcionar à álula meios de operacionalidade estáeis e suaes, contra a ação ariáel das orças dinâmicas e estáticas originadas na álula atraés da ação do luído de processo.

3 Atuador Pneumático Tipo Mola Diaragma Atuador acionado atraés do ar comprimido e o retorno à posição original é eito atraés de mola. Normalmente ele prooca um deslocamento linear na haste da álula. Atuador Pneumático Tipo Pistão Atuador acionado também atraés do ar comprimido e o retorno à posição original é eito atraés de mola. Normalmente ele prooca um deslocamento de rotação na haste da álula. Pistão ou êmbolo

4 Atuador Pneumático Dupla Ação Atuador acionado atraés do ar comprimido e tanto a ida do embolo como o retorno do mesmo a posição original é eito atraés do ar comprimido. Normalmente ele prooca um deslocamento rotatio na haste da álula. Pistão ou êmbolo Atuador Elétrico Este tipo de atuador é na erdade um motor que tem um excitador (drier) que recebe, por exemplo, um sinal de 4 a 0 ma e aciona o deslocamento do obturador. Motor e seu drier

5 Atuador Hidráulico Este tipo de atuador é utilizado quando a orça necessária para moimentar o obturador é muito alta, normalmente em tubulações de grandes diâmetros. Elemento que impõe uma resistência ao luxo de luído. orpo da álula Parte que executa a ação de controle permitindo maior ou menor luxo de luído no seu interior, conorme a necessidade do processo. O corpo é ormado basicamente pelos seguintes subconjuntos: internos castelo lange inerior Não necessariamente todos os subconjuntos aparecem É a parte da álula que entra em contato direto com o luído do processo. Dee satisazer os requisitos de: pressão, temperatura e corrosão do luído. As álulas são classiicadas a partir de seu tipo de corpo. Os principais tipos se classiicam em dois grupos: as de deslocamento linear (translação) e as de deslocamento de rotação.

6 Haste Nas álulas com deslocamento linear, a peça móel edante (obturador) é deslocada (acionada) por uma haste. Válulas globo sede simples Válula de deslocamento linear, corpo de duas ias, ormato globular, de passagem reta interna de sede simples. É a que tem maior uso na indústria. haste obturador Obturador é guiado duplamente (na parte superior e inerior). Para a álula echar, o obturador dee moimentar-se para baixo. A montagem é denominada de normalmente aberta. Formato globular (aproximadamente esérica)

7 Válulas globo sede simples Outro posicionamento do obturador. haste obturador O obturador está inertido. Para a álula abrir o obturador tem que descer. Esta é uma álula normalmente echada. Válulas globo sede simples (conencional) Outra álula com sede simples. haste obturador O obturador é guiado apenas na parte superior. Ao descer, a álula só pode echar, não existindo a possibilidade do obturador ser instalado em posição inertida ou por baixo. Essa álula, em relação ao moimento do obturador de cima para baixo, só pode echar.

8 A álula ser normalmente aberta ou echada é um ator muito importante na escolha da álula. Na posição de descanso, ou seja, sem orça de atuação, a álula pode icar completamente aberta ou completamente echada. Uma álula normalmente aberta icará totalmente aberta em caso de alta de suprimento de energia para operação do atuador. No caso de uma álula normalmente echada ocorrerá o inerso. Principais características da álula globo sede simples: proporciona uma boa edação e possui obturador estaticamente não balanceado. pode-se atingir um azamento, quando a álula estier totalmente echada, de no máximo até 0,01% da sua capacidade de azão máxima (assentamento metal-metal). Os índices de azamento obtidos, estando a álula de controle totalmente echada, são padronizados internacionalmente. Atuação de orças dinâmicas proenientes do luido agindo contra o obturador de uma álula globo sede simples. Deido ao obturador não ser balanceado se requer uma orça de atuação suicientemente grande para encer as orças estáticas do luido agindo sobre o obturador e poder moimentá-lo.. Pode-se atingir um menor índice de azamento (sem aumentar a orça de assentamento do atuador), utilizando a construção de assentamento composto, ou seja, metalborracha, metal-telon, etc. Quanto à direção do luxo em relação a posição do conjuntoobturadoreaneldesede,oluidodee entrar na álula tendendo a abrí-la. Uma lecha estampada no corpo indica o sentido de montagem da álula na tubulação. Apartirdadierençadepressão(P1-P)edaáreaocupada pelo obturador pode-se determinar a orça estática de atuação do luído sobre o obturador. Existem situações onde necessita-se a instalação da álula sede simples com o luxo tendendo echá-la. Um exemplo disso é o caso de alta pressão dierencial.

9 Válulas globo sede dupla O luxo passa atraés de duas passagens ou oriícios.. hastes obturadores Na primeira igura tem-se uma álula com obturador que desce para echar, enquanto que na segunda igura tem-se uma desce para abrir. A álula sede dupla é portanto de corpo reersíel. A principal antagem da álula sede dupla é o ato dela ser estaticamente quase estáel, sem necessitar de uma orça de atuação tão grande quanto a álula sede simples. As álulas sede dupla apresentam um azamento, quando totalmente echadas, de no máximo 0,5% da sua máxima capacidade de azão.

10 Válula globo sede simples Válula globo sede dupla Válulas globo de 3 ias Adaptação das álulas globo conencionais para utilização em aplicações de mistura ou separação de luidos. Válula tipo conergente haste obturador Fluidos quaisquer e separados entram pelas ias () e (3), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela ia (1) já misturados. A proporção da mistura é determinada pela posição do obturador relatia às duas sedes. Um deslocamento do obturador para cima az diminuir a entrada do luido por (), aumentando simultaneamente a entrada do luido por (3).

11 Válula tipo diergente haste obturador O luído entra pela ia (1) e sai em proporções deinidas pelas ias () e (3). As álulas de 3 ias, deido a sua coniguração e utilização, não apresentam edação completa, pois, enquanto se echa um oriício, o outro ica completamente aberto. Válulas globo tipo gaiola A álula tipo gaiola apresenta uma concepção de internos dierente da globo conencional. O luido entra por baixo do anel da sede, passando pelo oriício e pelas janelas da gaiola. Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de uma álula não balanceada. A orça do luido tendendo abrir a álula, não é balanceada e por isso precisarmos de uma grande orça de atuação. Não sendo uma álula de corpo reersíel o deslocamento do obturador de cima para baixo echa a álula, ou seja, desce para echar. anel

12 Válulas globo tipo gaiola balanceada onstrução basicamente similar à anterior. O obturador é balanceado dinamicamente (como acontece na álula globo sede dupla) deido ao oriício interno no obturador, que az com que a pressão do luido comunique-se com ambos os lados do obturador, ormando-se assim um balanceamento de orças. Necessita de menor orça de atuação. O luido neste tipo de construção entra por cima. omo na globo conencional sede dupla, a álula tipo gaiola balanceada, não apresenta boa edação. Válula tipo diaragma (Saunders) Utilizada no controle de luídos corrosios, líquidos altamente iscosos e líquidos com sólidos em suspensão. onsiste de um corpo cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diaragma móel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para proocar o echamento da álula. Apresenta oa edação, baixo custo. Pouca azão e alta orça de atuação. Diaragma (membrana elástica)

13 Válula tipo guilhotina Sua principal aplicação está no controle de luídos pastosos, tais como massa de papel. Válulas rotatias Válulas que apresentam: baixo peso (em relação aos outros tipos de álulas); desenho simples; capacidade relatia maior de luxo; e baixo custo.

14 Válula tipo borboleta. Válula rotatia com corpo de duas ias de passagem reta, com internos em sede simples e elemento edante constituído por um disco ou lâmina de ormato circular acionados por eixo de rotação axial. onsiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. Requerer orça consideráel para sua operação em altas pressões dierenciais. As orças de torção no eixo de uma álula borboleta aumentam com o abrir da álula, atingindo um alor máximo em um ponto entre 70 a 75 o. Ela é não balanceada. Para maior estabilidade na operação de estrangulamento, a álula borboleta não é aberta a um ângulo superior àquele em que a cura de torque muda sua inclinação. Isso limita a abertura máxima em cerca de 75 o da ertical.

15 Válula tipo esera. Recomendada para trabalhar com liquidos iscosos, corrosios e abrasios, além de gases e apores. O corpo é do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), sendo que a esera gira em torno de dois anéis de Telon (construção padrão) alojados no corpo e que azem a unção de sede. Possibilita a passagem do luído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possui um curso total de 90º. Deido ao seu sistema de assentamento proporciona uma edação estanque (total estanqueidade quando totalmente echada). A álula esera é a de maior capacidade de luxo, deido a sua passagem ser praticamente lire, sem restrições. Em relação ao tipo globo, chega a alcançar de 3 a 4 ezes maior azão. Deido a sua geometrica de internos possui uma alta tendência a caitar. As orças deidas ao luído tendem a echar a álula e portanto é uma álula não balanceada.

16 Válula tipo obturador rotatio - excêntrico Tem sido usada em apenas alguns processos industriais, tais como de papel e celulose. O curso do obturador é de 50º em moimento excêntrico da parte esérica do mesmo. ontrole do atuador da álula Seja o diagrama de instrumentação abaixo simbologia sinal elétrico (corrente 4 a 0mA) sinal pneumático (3 a 15psi) sinal genérico (corrente ou pressão) álula globo com atuação pneumática conersor (transdutor) corrente/pressão

17 O atuador da álula conerte o sinal m(t) em uma posição p (t) da álula. m(t) sinal de controle (saída de controle) %O sinal de controle relatio (percentual) p (t) é usualmente expressa em uma ração entre 0 e 1. 0 álula echada (luxo nulo) 1 álula completamente aberta (luxo máximo) Uma ariação de O% de 1% corresponde a uma ariação da posição de 0,01. ondições de segurança (a) Fail-losed(F) ou Air-to-Open (AO) :no caso de uma alha e não houer sinal de pressão de controle a álula ica echada. (b) Fail-Open (FO) ou Air-to-lose (A): no caso de uma alha em não houer sinal de pressão de controle a álula ica aberta. Dependendo do processo um ou outro tipo dee ser utilizado em pontos especíicos do processo para garantir segurança no caso de alhas. Fórmulas para o regime permanente da álula: air - to - open : air - to - close: m p 100 m p 1 100

18 ondições de segurança (processo de separação líquido-apor (lash drum)) sensor-transmissor de pressão ontrolador de luxo 3 sensor-transmissor de azão (placa de oriício com langes) ontrolador de pressão ontrolador de níel Para segurança: Válula 1 (F ou AO) Para não aporizar mais líquido. 1 sensor-transmissor de níel (lutuador externo) Válula (F ou AO) Para manter líquido armazenado Válula 3 (FO ou A) Para não aumentar a pressão de apor. apacidade de luxo de uma álula (especiicação do abricante) Deinição. apacidade de luxo de uma álula de controle ( ): Fluxo de um galão americano por minuto (gpm) de água que lui atraés de uma álula a uma queda de pressão de 1psi atraés da mesma. Ex. Uma álula com 5 permite que 5gpm de água atraesse a álula submetida a 1 psi. Deinição. Fluxo de líquido (). Sabe-se que uma álula é um oriício com área ajustáel para o luxo. Tem-se: luxo líquido (U.S. gpm) queda de pressão ao longo da álula (psi) graidade especíica do líquido sob condição de escoamento (razão entre a densidade do luído e a densidade de um líquido de reerência (água), também chamada densidade relatia) Obs. Podem ser usadas correções na órmula em unção de certos tipos de luídos.

19 Deinição. Fluxo compressíel ( s ). Modelo obtido a partir do modelo para líquidos, mas com correções em unção da temperatura e pressão. permanece o mesmo descrito anteriormente. Tem-se: s 3 ( y 0, ) p y T s luxo de gás em t 3 /h à condição padrão de 14,7 psia e 60 o F. graidade especíica do gás (em relação ao ar) T temperatura na entrada da álula o R ( o F+460) ator de luxo crítico. Depende da álula e aria em uma aixa de 0,6 a 0,95. p 1 pressão na entrada da álula, em psia. y expressa os eeitos da compressibilidade no luxo, dado por. 1,63 y p 1 onde, p 1 p, sendo p a pressão na saía da álula (psia) Dimensionamento de álulas de controle. As órmulas apresentadas anteriormente podem ser utilizadas (normalmente ornecida pelos abricantes). Para o dimensionamento de luxo de líquido necessita-se: Fluxo líquido atraés da álula. A queda de pressão atraés da álula. raidade especíica do líquido. A partir daí calcula-se. Usando alores nominais: Para o calculado consultam-se catálogos de abricantes e escolhe-se a álula adequada (aquela com de 50 a 100% acima do alor nominal calculado) Para o caso de luxo compressíel também se necessita: Pressão de entrada da álula Temperatura de operação raidade especíica do gás. s 3 ( y 0, ) p y T 1,63 y p 1

20 aracterísticas das álulas de controle. O coeiciente depente da posição da álula: p 0 0 e p 1 max. Essa ariação de permite uma regulação contínua do luxo. ura característica da álula: A característica depende de como a área do oriício da álula aria com a posição da álula. Abertura rápida é útil apenas em controle on-o ou em álulas de alíio. O outros dois tipos podem ser usados em controle suae. linear porcentagens iguais ( α 50) -1 (p) max. p p (p) max. α Modelos: linear (p) max.p porcentagens iguais ( α 50) ( ) p max. α p -1 α Parâmetro de alcance (50 ou 100) Modelo linear: adequado quando o processo é linear e a queda de pressão na álula praticamente não aria com o luxo. Modelo porcentagens iguais: adequando quando o processo e os transmissores são não lineares (diminuição do ganho com o luxo), pois nesse modelo a álula pode compensar a não linearidade do processo (aumento do ganho com o luxo). No modelo porcentagens iguais: se p 1 max e se p 0 max /α % de max 0 incremento relatio em p causa incremento relatio igual em. Ex. Variação de 1% em p indo de 0% a 1% causa ariação de 1% no luxo em relação a seu alor em 0%, então ariação de 1% de p indo de 60% a 61% causa ariação de 1% no luxo em relação a seu alor em 60%.

21 Alcance da álula de controle. É uma medida da aixa de luxo que a álula pode controlar. luxo com álula na posição de 95% (ou 90%) Alcance luxo com álula na posição de 5% (ou 10%) Máximo luxo adotado na prática Mínimo luxo adotado na prática Se a queda de pressão ao longo da álula é independente do luxo Fluxo é proporcional a V. No caso de porcentagens iguais: Alcance α α 0,05 0,95 α 0,95 Alcance 19 0,05 No caso abertura rápida o alcance ica em torno de 3. 0,9 33,8 paraα 50 e 63,1para α 100 aracterística de uma álula instalada em um processo. Seja uma álula instala em série com uma tubulação e equipamento (na ig. um trocador de calor) queda de pressão ao longo do processo e tubulação queda de pressão ao longo da álula o queda de pressão no conjunto luxo No caso de uma álula isolada oi isto que (luxo líquido) Para uma dada dierença de pressão ( ) aria de orma linear com.

22 queda de pressão ao longo do processo e tubulação deido ao atrito queda de pressão ao longo da álula deido à resistência imposta pelo oriício o queda de pressão no conjunto luxo Se or bem maior que o que ditará o luxo é então como consequência ariará, assim o luxo na álula não acompanhará como no caso de álula isolada. Assumamos que aria com o quadrado do luxo e que a queda de pressão total o independe do luxo. o pode ser obtido com a álula totalmente echada ( o ), pois 0 deido ao ato do luxo ser nulo e a queda de pressão deido ao atrito no processo e tubulação ser nula. Assim p k queda de pressão ao longo do processo e tubulação deido ao atrito luxo k coeiciente de atrito (constante) do elementos em série com a álula (processo, tubulação, etc) graidade especíica do líquido (em relação à água). omo já imos Então para o e para (isolando) + o 1+ k 1 o k + Este é o modelo para uma álula instalada no caso de luxo de líquidos. Se k 0, o, que é o modelo que já tínhamos da álula isolada (queda de pressão na álula constante).

23 Para luxo nominal em uma queda de pressão nominal k Forma de obter o coeiciente de atrio No caso de máximo luxo max,max 1+ k,max o O luxo de orma relatia em relação ao alor máximo ica max,max 1 Esse luxo normalizado independe de o. 1+ k +,max k Obs. Essa análise oi eita para luxo líquido. No caso de luidos compressíeis os modelos são complexos e são normalmente resolidos computacionalmente. anho e unção de transerência de uma álula de controle. anho corresponde à ariação da saída de um elemento diidida pela ariação da entrada. No caso de uma álula de controle a saída é a ariáel luxo e a entrada é dada por O%. k d ( t) dm( t) em gpm %O Pela regra da cadeia d dp k dm dm d d p d d Para p (t) em relação a m(t) ( ração de ) d p ± em dm 100 % O 1 p + para álula F ou AO - para álula FO ou A

24 Para em unção de p d d p,max aso linear d p α d p 1 ( lnα ), maxα ( ln ) aso de porcentagens iguais (linearizado) Para em unção de, depende das característica da instalação da álula. Temos dois casos: Queda de pressão na álula constante. Queda de pressão na álula ariáel. Para queda de pressão na álula constante (queda de pressão na tubulação e processo pequena) d d anho para álula linear 1 max k ±,max em gpm %O constante anho para álula com característica de porcentagens iguais k ± lnα 100 ( lnα ) ± em gpm %O Proporcional ao luxo quando a queda de pressão na álula é constante

25 Para queda de pressão na álula ariáel (queda de pressão na tubulação e processo alta) d d 1+ k 1+ k o ( 1+ k ) 1+ k 0,5 k o ( 1+ k ) 3 o anho para álula linear,max k ± 100 d d em gpm %O O ganho diminui à medida que a álula abre, porque aumenta. anho para álula com característica de porcentagens iguais K lnα ± 100 ( 1+ k ) 3 o lnα ± k em gpm %O O ganho é menos sensíel à abertura da álula, porque e aumentam (um compensando o outro) Função de transerência da álula. Pode ser descrita por um atraso de primeira ordem (sistema de primeira ordem) K ( s) τ s + 1 K é o ganho estático (gpm / %O) τ é a constante de tempo do atuador da álula (minutos) No caso de processos onde as constantes de tempo são grandes, bem maiores que τ pode-se desprezar a dinâmica de (s) e considerar apenas seu ganho estático na caracterização do modelo da álula.