Posicionadores de válvulas de controle
A razão pela qual a posição da haste de uma válvula de controle pneumático corresponde linearmente à quantidade de pressão de ar aplicada ao atuador é porque as molas mecânicas tendem a seguir a Lei de Hooke, onde a quantidade de movimento da mola (x) é diretamente proporcional à força aplicada (F = kx )
Um atuador pneumático aplica força em função da pressão do ar e da área do pistão / diafragma (F = PA), e a mola, por sua vez, comprime ou estica para gerar uma força de reação igual e oposta. O resultado final é que a pressão do atuador se traduz linearmente em movimento da haste da válvula (x = PA / k).
Essa relação linear e repetível entre a pressão do sinal pneumático e a posição da haste da válvula é verdadeira se e somente se o diafragma / pistão de acionamento e a mola forem as únicas forças em ação na haste da válvula. Se qualquer outra força atuar sobre esse mecanismo, a relação entre a pressão do sinal e a posição da haste da válvula não será mais ideal.
Infelizmente, existem muitas outras forças atuando em uma haste da válvula além da força do atuador e da força de reação da mola.
O atrito da gaxeta da haste é uma dessas forças, e a força de reação no obturador da válvula causada pela pressão diferencial na área do obturador é outra (Nota 1). Essas forças conspiram para reposicionar a haste da válvula, para que o deslocamento da haste não se correlacione com precisão à pressão do fluido de acionamento.
Nota 1: Uma maneira de minimizar as forças dinâmicas em um plugue de válvula globo é usar um plugue de duas portas ou um plugue balanceado em uma válvula de globo guiada por gaiola. Uma desvantagem para esses dois projetos de obturadores de válvulas, porém, é maior dificuldade em obter um fechamento apertado.
Uma solução comum para esse dilema é adicionar um posicionador ao conjunto da válvula de controle .
Posicionadores de válvulas de controle
Um posicionador é um dispositivo de controle de movimento projetado para comparar ativamente a posição da haste com o sinal de controle, ajustando a pressão no diafragma ou no pistão do atuador até que a posição correta da haste seja alcançada:
Os posicionadores atuam essencialmente como sistemas de controle dentro de si (Nota 2): a posição da haste da válvula é a variável do processo (PV), o sinal de comando para o posicionador é o ponto de ajuste (SP) e o sinal do posicionador para o atuador da válvula é a variável manipulada (MV) ou saída.
Assim, quando um controlador de processo envia um sinal de comando para uma válvula equipada com um posicionador , o posicionador recebe esse sinal de comando e aplica tanta ou pouca pressão de ar ao atuador conforme necessário para atingir a posição desejada da haste.
Assim, o posicionador “lutará” contra quaisquer outras forças que atuam na haste da válvula para obter um posicionamento preciso e preciso da haste, de acordo com o sinal de comando. Um posicionador funcionando corretamente garante que a válvula de controle seja “bem-comportada” e obediente ao sinal de comando.
Nota 2: O termo técnico para esse tipo de sistema de controle é cascata , onde a saída de um controlador se torna o ponto de ajuste para um controlador diferente.
No caso de um posicionador de válvula, o posicionador recebe um ponto de ajuste de posição da haste da válvula do controlador principal do processo. Poderíamos dizer que o controlador de processo principal, neste caso, é o controlador principal ou mestre, enquanto o posicionador da válvula é o controlador secundário ou escravo.
A fotografia a seguir mostra um posicionador pneumático Fisher modelo 3582 montado em uma válvula de controle . O posicionador é a caixa de cor cinza com três manômetros no lado direito:
No lado esquerdo deste posicionador, pode ser visto parte do mecanismo de feedback: um suporte de metal preso ao conector da haste da válvula, vinculado a um braço saindo do lado do posicionador.
Todo posicionador de válvula de controle deve estar equipado com alguns meios para detectar a posição da haste da válvula; caso contrário, o posicionador não poderá comparar a posição da haste da válvula com o sinal de comando.
Um posicionador mais moderno aparece na próxima fotografia, o Fisher DVC6000 (novamente, a caixa de cor cinza com manômetros no lado direito):
Como o posicionador modelo 3582 mais antigo, este modelo DVC6000 usa uma articulação de feedback no lado esquerdo para detectar a posição da haste da válvula . O modelo ainda mais novo DVC6200 usa um sensor magnético de efeito Hall para detectar a posição de um ímã parafusado na haste da válvula.
Esse projeto de feedback de posição não mecânico elimina folga, desgaste, interferência e outros problemas potenciais associados aos elos mecânicos. Um melhor feedback é essencial para um melhor posicionamento da válvula.
Os posicionadores de válvulas de controle são tipicamente construídos de forma a obter e liberar altas taxas de fluxo de ar, de modo que o posicionador também cumpra a funcionalidade de um intensificador de volume (Nota 3).
Assim, um posicionador não só assegura o posicionamento da haste da válvula mais preciso, mas também mais rápido haste velocidade (e atrasos de tempo mais curtos) do que se o actuador de válvula foram directamente “alimentado” por uma P transdutor / I .
Nota 3: Isso não significa que os posicionadores de válvula não precisam de intensificadores de volume externos, apenas que a capacidade de fluxo de ar de atuação de um posicionador típico excede em muito a capacidade de fluxo de ar de um transdutor de I / P típico.
Conversor I/P (Corrente para Pressão)
Outra vantagem de adicionar um posicionador a uma válvula de controle acionada pneumaticamente é o assentamento superior da válvula (fechamento apertado). Esse benefício não é óbvio na primeira inspeção e, portanto, é necessária alguma explicação.
Primeiro, é preciso entender que o mero contato entre o bujão e a sede dentro de uma válvula de haste deslizante não é suficiente para garantir um fechamento apertado. Em vez disso, o bujão deve ser pressionado com força contra a sede para interromper totalmente todo o fluxo através da válvula.
Qualquer pessoa que já tenha apertado a alça de uma mangueira com vazamento (torneira de jardim) entende intuitivamente esse princípio: é necessária uma certa força de contato entre o bujão e o assento para se deformar levemente e, assim, moldar esses dois componentes em um fluido perfeito ajuste apertado. O termo técnico para esse requisito mecânico é carga do assento.
Imagine se você usar uma válvula de controle de ar para abrir com haste deslizante e acionada por diafragma , com uma faixa de ajuste de bancada de 3 a 15 PSI.
A uma pressão aplicada do atuador de 3 PSI, o diafragma gera força suficiente para superar exatamente a força de pré-carga da mola do atuador, mas não força suficiente para realmente remover o plugue do assento.
Em outras palavras, com pressão de diafragma de 3 PSI, o plugue está tocando o assento, mas com pouca ou nenhuma força para fornecer uma vedação firme.
Se esta válvula de controle for alimentada diretamente por um transdutor de I / P com uma faixa calibrada de 3-15 PSI, significa que a válvula mal será fechada com um valor de sinal de 0% (3 PSI) em vez de ser fechada com força.
Para forçar totalmente o bujão da válvula contra a sede da válvula para obter uma vedação estanque, toda a pressão de ar teria que ser ventilada do diafragma para garantir que não haja força do diafragma na mola. Isso é impossível com um I / P com um intervalo calibrado de 3-15 PSI.
Agora imagine a mesma válvula exatamente equipada com um posicionador, pegando o sinal de 3-15 PSI do I / P e usando-o como um comando (ponto de ajuste) para a posição da haste da válvula, aplicando tanta ou pouca pressão no diafragma quanto necessário alcançar a posição desejada da haste.
A calibração apropriada do posicionador é tal que a haste da válvula não começa a levantar até que o sinal suba um pouco acima de 0%, o que significa que a 0% (4 mA) o posicionador tentará forçar a válvula a uma posição ligeiramente negativa da haste.
Ao tentar atender a essa demanda impossível, a saída do posicionador saturará baixa, não aplicando nenhuma pressão ao diafragma de atuação, resultando em força total da mola aplicada pelo plugue contra o assento.
Mecanismos de balanceamento
Uma comparação dos dois cenários é mostrada aqui:
Embora os posicionadores sejam benéficos em atuadores de válvulas equipados com mola , eles são absolutamente essenciais para alguns outros estilos de atuadores.
Considere o seguinte atuador de pistão pneumático de dupla ação que não possui mola:
Sem uma mola fornecendo uma força de restrição para retornar a válvula a uma posição “à prova de falhas”, não existe uma relação da Lei de Hooke entre a pressão do ar aplicada e a posição da haste. Um posicionador deve aplicar pressão de ar alternadamente em ambas as superfícies do pistão para elevar e abaixar a haste da válvula.
Atuadores de válvulas de controle elétrico são outra classe de projeto de atuador que exige absolutamente alguma forma de sistema posicionador, porque um motor elétrico não está “ciente” de sua própria posição do eixo para poder mover com precisão uma válvula de controle.
Assim, um circuito posicionador usando um potenciômetro ou sensor LVDT / RVDT para detectar a posição da haste da válvula e um conjunto de saídas de transistor para acionar o motor é necessário para tornar um atuador elétrico responsivo a um sinal de controle analógico.
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