Compreensão dos posicionadores de válvulas neste artigo

O posicionador de válvula (Controlador de Válvula) é um dispositivo usado para controlar e regular com precisão a posição de uma válvula de controle. Ao receber sinais de entrada do controlador, ele ajusta a abertura da válvula para o ponto de ajuste desejado, garantindo assim que os parâmetros do processo (por exemplo, pressão, temperatura, taxa de fluxo, etc.) permaneçam dentro de intervalos predeterminados. Os posicionadores desempenham um papel fundamental na automação industrial e no controle de processos, e são amplamente utilizados nas indústrias de petróleo e gás, química, farmacêutica, tratamento de água e outras.

A posição da haste de uma válvula de controle pneumática está linearmente relacionada à pressão do ar aplicada ao atuador porque as molas mecânicas tendem a seguir a Lei de Hooke, que afirma que a quantidade de movimento da mola (x) é diretamente proporcional à força aplicada (F=kx). A força aplicada por um atuador pneumático é função da pressão do ar e da área do pistão/diafragma (F=PA), e a mola, por sua vez, comprime ou estica, produzindo uma força de reação igual e oposta. O resultado final é que a pressão do atuador é traduzida linearmente em movimento da haste (x=PA/k).

1. Posicionador de Válvula de Controle

Essa relação linear e repetível entre a pressão do sinal pneumático e a posição da haste só é válida se, e somente se, o diafragma/pistão e a mola de atuação forem as únicas forças atuando na haste. Se qualquer outra força atuar no mecanismo, a relação entre a pressão do sinal e a posição da haste não será mais ideal.

Infelizmente, existem muitas outras forças atuando na haste, além das forças do atuador e das forças de reação da mola. O atrito da gaxeta da haste é uma dessas forças, e a força de reação no carretel causada pela pressão diferencial na área do carretel é outra. Essas forças se combinam para reposicionar a haste, de modo que o curso da haste não esteja precisamente relacionado à pressão do fluido de atuação.

Uma solução comum para esse dilema é adicionar um posicionador de válvula ao conjunto da válvula de controle. Um posicionador de válvula é um dispositivo de controle de movimento projetado para comparar ativamente a posição da haste com um sinal de controle e ajustar a pressão do diafragma ou pistão do atuador até que a posição correta da haste seja alcançada:

O próprio posicionador de válvula é basicamente um sistema de controle: 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 o controlador do processo envia um sinal de comando para a válvula equipada com o posicionador, o posicionador recebe esse sinal de comando e aplica a pressão do ar necessária ao atuador para atingir a posição desejada da haste. Assim, o posicionador irá "combater" qualquer outra força atuando na haste da válvula para obter um posicionamento claro e preciso da haste, de acordo com o sinal de comando. Um posicionador funcionando corretamente garante que a válvula de controle "se comporte" de acordo com o sinal de comando.

2. Exemplo de posicionador de válvula pneumática

A imagem a seguir mostra um posicionador pneumático Fisher Model 3582 montado em uma válvula de controle. O posicionador é uma caixa cinza com três manômetros no lado direito:

Parte do mecanismo de feedback pode ser vista no lado esquerdo deste posicionador: um suporte de metal aparafusado ao conector da haste que se prende a um braço que se estende da lateral do posicionador. Todo posicionador de válvula de controle deve ser equipado com algum meio de detectar a posição da haste, caso contrário, o posicionador não seria capaz de comparar a posição da haste com o sinal de comando.

Um posicionador mais moderno, o Fisher DVC6200 (novamente em uma caixa cinza com um manômetro no lado direito), aparece na foto seguinte:

Como o posicionador Model 3582 anterior, este DVC6000 usa uma ligação de feedback no lado esquerdo para detectar a posição da haste da válvula. O novo DVC6200 usa um sensor de efeito Hall magnético para detectar a posição de um ímã aparafusado na haste. Este projeto de feedback de posição não mecânico elimina folgas, desgaste, interferência e outros problemas potenciais associados a ligações mecânicas. Um feedback melhor é fundamental para um melhor posicionamento da válvula.

Os posicionadores de válvula de controle são normalmente construídos para gerar e descarregar altos fluxos de ar, portanto, o posicionador também funciona como um amplificador de volume850. Como resultado, o posicionador não apenas garante um posicionamento mais preciso da haste, mas também velocidades mais rápidas da haste (menores atrasos de tempo) do que os atuadores de válvula que são "alimentados" diretamente pelo sensor I/P.

3. Válvula em posição

Outra vantagem de adicionar um posicionador de válvula a uma válvula de controle pneumática é que a válvula veda (fecha firmemente) melhor. Essa vantagem não é óbvia à primeira vista e, portanto, requer alguma explicação.

Primeiro, deve-se entender que em uma válvula de controle, o contato entre o carretel e o assento por si só não é suficiente para garantir o fechamento hermético. Em vez disso, o carretel deve ser pressionado com força contra o assento para interromper completamente todo o fluxo através da válvula. Qualquer pessoa que já tenha apertado a manivela de uma torneira com vazamento (bico de jardim) entende esse princípio intuitivamente: uma certa quantidade de força de contato é necessária entre o plugue e o assento para deformar ligeiramente as duas partes, resultando em um ajuste perfeito e estanque. O termo técnico para esse requisito mecânico é carregamento do assento.

Imagine uma válvula de controle de abertura pneumática de passagem direta, acionada por diafragma, com uma configuração de bancada de 3 a 15 Psi. A uma pressão do atuador de 3 Psi, o diafragma gera força suficiente para superar a pré-carga da mola do atuador, mas não o suficiente para mover o carretel do assento.

Em outras palavras, a 3 Psi de pressão do diafragma, o carretel entrará em contato com o assento, mas haverá pouca força para fornecer uma vedação hermética. Se esta válvula de controle for alimentada diretamente por um sensor I/P calibrado de 3 a 15 Psi, isso significa que a válvula mal fechará a 0% do valor do sinal (3 Psi), em vez de fechar firmemente. Para que o carretel esteja totalmente assentado para uma vedação hermética, todo o ar deve ser removido do diafragma para garantir que não haja força do diafragma contra a mola. Isso não é possível para um I/P com uma faixa de calibração de 3-15 Psi.

Agora imagine que a mesma válvula está equipada com um posicionador que recebe um sinal de 3 a 15 Psi do I/P e o usa como um comando (ponto de ajuste) para a posição da haste, aplicando a pressão necessária ao diafragma para atingir a posição desejada da haste. A maneira correta de calibrar o posicionador é que a haste comece a levantar somente quando o sinal subir para um pouco acima de 0%, o que significa que a 0% (4mA) o posicionador estará tentando forçar a válvula a uma posição da haste ligeiramente negativa. Ao tentar atingir esse requisito impossível, a saída do posicionador atingirá a saturação baixa, não exercendo pressão sobre o diafragma de atuação, resultando na haste da válvula exercendo toda a sua força da mola no assento da válvula. Uma comparação dos dois cenários é mostrada no gráfico abaixo:

Embora os posicionadores sejam úteis para atuadores de válvula equipados com mola, eles são absolutamente essenciais para certos outros tipos de atuadores. Considere o seguinte atuador de pistão pneumático de dupla ação sem molas:

Sem uma mola para fornecer uma força restritiva para retornar a válvula à posição "à prova de falhas", não há relação da Lei de Hooke entre a pressão do ar aplicada e a posição da haste. O posicionador deve aplicar alternadamente a pressão do ar em ambas as superfícies do pistão para levantar e abaixar a haste.

Os atuadores de válvula de controle motorizados são outro projeto de atuador que absolutamente requer alguma forma de sistema de posicionador porque a unidade motorizada não pode "detectar" a posição de seu próprio eixo para mover a válvula de controle com precisão. Portanto, um circuito de posicionador usando um potenciômetro ou transdutor LVDT/RVDT para detectar a posição da haste da válvula e um conjunto de saídas de transistor para acionar o motor é necessário para permitir que o atuador elétrico responda aos sinais de controle analógicos.

4. Posicionador Pneumático de Equilíbrio de Forças

Um projeto de posicionador de válvula pneumática de equilíbrio de forças simples é mostrado abaixo:

O sinal de controle para esta válvula é um sinal pneumático de 3 a 15 Psi de um sensor I/P ou de um controlador pneumático (nenhum mostrado no diagrama). Essa pressão do sinal de controle exerce uma força ascendente na viga de força, fazendo com que o defletor tente se aproximar do bico. O aumento da contrapressão no bico faz com que o relé de amplificação pneumática emita mais pressão de ar para o atuador da válvula, que por sua vez levanta a haste da válvula (abre a válvula). À medida que a haste da válvula levanta, a mola que conecta o atuador à haste da válvula se estica ainda mais, aplicando força adicional ao lado direito do atuador. Quando essa força adicional é equilibrada com a força do fole, o sistema se estabiliza em um novo ponto de equilíbrio.

Como acontece com todos os sistemas de equilíbrio de forças, o movimento da haste de impulso é limitado pela força de equilíbrio, portanto, seu movimento é insignificante na prática. Em última análise, o equilíbrio é alcançado por uma força equilibrando outra, como duas equipes de pessoas puxando uma corda: desde que as forças das duas equipes sejam iguais em magnitude e opostas em direção, a corda não se desviará de sua posição original.

O diagrama abaixo mostra o Posicionador de Equilíbrio de Forças PMV 1500 para posicionar um atuador de válvula rotativa com a tampa ligada (superior) e inferior (inferior):

Um sinal de controle pneumático de 3 a 15 Psi entra no fole e empurra para baixo na viga de força horizontal (preta). O conjunto da válvula piloto pneumática no lado esquerdo da viga de força detecta qualquer movimento e aumenta a pressão do ar para o diafragma de atuação da válvula se qualquer movimento para baixo for detectado, e libera a pressão do ar para o atuador se qualquer movimento para cima for detectado:

Quando o ar comprimido entra no atuador da válvula através do conjunto da válvula piloto, a válvula rotativa começará a girar na direção de abertura. O movimento rotativo do eixo é convertido em movimento linear dentro do posicionador por meio de uma came: a came é um disco com um raio irregular projetado para produzir um deslocamento linear a partir de um deslocamento angular:

Um seguidor de rolo localizado na extremidade da viga dourada se move ao longo da circunferência da came. O movimento da came é convertido em uma força de curso reto por compressão da mola helicoidal diretamente contra a força do fole pneumático na viga de força. Quando o movimento da came é suficiente para comprimir a mola o suficiente para equilibrar a força adicional gerada pelo fole pneumático, a viga de força retorna à posição de equilíbrio (muito perto da posição inicial) e a válvula para de se mover.

Se você olhar atentamente para a última foto, verá o parafuso de zeramento do posicionador: uma haste rosqueada que se estende abaixo da viga dourada. Este parafuso ajusta a compressão da mola de polarização para que a unidade do posicionador "pense" que a came está em uma posição diferente. Por exemplo, girar esta haste rosqueada no sentido horário (visto da extremidade ranhurada do engate da chave de fenda) comprime a mola ainda mais, empurrando a haste mais escura para cima com mais força, obtendo o mesmo efeito que uma ligeira rotação anti-horária da came. Isso faz com que o posicionador tome medidas e gire a came no sentido horário para compensar, aproximando-a da posição da haste de 0%.

Embora a came e o seguidor neste mecanismo do posicionador realmente se movam em resposta ao movimento da haste, ele ainda pode ser considerado um mecanismo de equilíbrio de forças, pois a barra transversal presa à válvula piloto não se move sensivelmente. Ao equilibrar as forças na viga, a válvula piloto está sempre na posição equilibrada.

5. Posicionador pneumático de equilíbrio dinâmico

Também existem projetos de posicionador de válvula pneumática de equilíbrio de movimento, onde o movimento da haste da válvula neutraliza o movimento (não a força) de outro elemento. O diagrama de corte a seguir mostra como um posicionador de equilíbrio de movimento simples funciona:

Nesse mecanismo, um aumento na pressão do sinal faz com que a viga avance em direção ao bico, resultando em uma maior contrapressão do bico, que por sua vez faz com que o relé de amplificação pneumática forneça mais pressão de ar ao atuador da válvula. À medida que a haste da válvula levanta, o movimento ascendente da extremidade direita da viga compensa o avanço anterior da viga em direção ao bico. Quando o equilíbrio é alcançado, a viga estará em uma posição inclinada onde o movimento do fole é equilibrado pelo movimento da haste.

A fotografia a seguir mostra uma visão de perto do mecanismo do Posicionador de Equilíbrio Pneumático FISHER Model 3582:

No coração do mecanismo está um anel de metal em forma de D que traduz o movimento do fole e o movimento da haste em movimento do defletor. À medida que a pressão do sinal pneumático aumenta, o fole (localizado abaixo do canto superior direito do anel D) se expande, fazendo com que a viga balance ao longo de seu eixo vertical. Quando o posicionador é ajustado para operação de ação direta, esse movimento de balanço empurra o defletor mais perto do bico, o que aumenta a contrapressão e fornece mais ar comprimido ao atuador da válvula:

À medida que a haste se move, a alavanca de feedback gira a came na parte inferior do anel D. O "seguidor" do rolo nesta came traduz o movimento da haste da válvula em outro movimento de balanço na viga, desta vez ao longo do eixo horizontal. Dependendo de como a came é fixada ao eixo de feedback, esse movimento pode fazer com que a aba da válvula balance mais para longe do bico ou mais perto dele. A direção da came deve ser escolhida para corresponder à ação do atuador: direta (o ar estende a haste da válvula) ou reversa (o ar retrai a haste da válvula).

O mecanismo do anel D é bastante engenhoso, pois permite um fácil ajuste de alcance ajustando o ângulo do conjunto do defletor (stopper) em vários pontos ao longo da circunferência do anel. Se o conjunto do defletor for ajustado próximo à horizontal, ele será mais sensível ao movimento do fole e menos sensível ao movimento da haste, forçando a válvula a se mover mais para equalizar o pequeno movimento do fole (comprimento do curso longo). Por outro lado, se o conjunto da válvula for ajustado próximo à vertical, ele será o mais sensível possível ao movimento da haste e minimamente sensível ao movimento do fole, resultando em um curso de válvula muito pequeno (ou seja, o fole precisará se expandir significativamente para equilibrar a pequena quantidade de movimento da haste).

6. Posicionador de Válvula Digital

Lembre-se de que o objetivo de um posicionador de válvula é garantir que a posição de uma válvula mecânica sempre corresponda ao sinal comandado. Assim, o próprio posicionador de válvula é, na verdade, um sistema de controle de malha fechada: aplicando a pressão necessária ao atuador para sempre atingir a posição da haste comandada. Os posicionadores de válvula mecânicos usam alavancas, cames e outros componentes físicos para obter esse controle de malha fechada.

Os posicionadores de válvula digitais (como o modelo Fisher DVC6000) usam sensores eletrônicos para detectar a posição da haste, um microprocessador para comparar a posição da haste detectada com um sinal de controle por meio de subtração matemática (erro = posição - sinal) e, em seguida, um conversor de sinal pneumático e relé para enviar pressão de ar para o atuador da válvula. Abaixo está um esquema simplificado de um posicionador de válvula digital comum:

Como você pode ver no diagrama, a estrutura interna de um posicionador de válvula digital é muito complexa. Não temos apenas um algoritmo de controle, mas dois algoritmos de controle trabalhando em conjunto para manter a posição correta da válvula: um monitora e controla a pressão aplicada ao atuador (compensando as variações na pressão de alimentação que podem afetar a posição da válvula) e o outro monitora e controla a própria posição da haste da válvula, enviando sinais de controle em cascata para o conjunto de controle de pressão.

Um sinal de comando (de um controlador de malha de processo, PLC ou outro sistema de controle) informa ao posicionador a posição da haste da válvula. O primeiro controlador (PI) dentro do posicionador calcula quanta pressão de ar o atuador precisa para atingir a posição da haste necessária. O próximo controlador (PID) aciona o conversor I/P (corrente para pressão) conforme necessário para atingir essa pressão. Se, por qualquer motivo, a haste não estiver na posição comandada, os dois controladores dentro do posicionador trabalharão juntos para forçar a válvula para a posição correta.

Um posicionador de válvula digital não apenas fornece controle de posição superior em comparação com um posicionador de válvula mecânico, mas sua variedade de sensores e recursos de comunicação digital fornece um nível mais alto de dados de diagnóstico para a equipe de manutenção e sistemas de controle supervisório (se programado para monitorar e agir sobre esses dados).

Os dados de diagnóstico fornecidos pelo posicionador de válvula digital incluem:

--Pressão de alimentação de ar

--Pressão do ar do atuador

--Temperatura ambiente

--Erro de posição e pressão

-Curso total da haste (semelhante a um odômetro de automóvel)

Além disso, o microprocessador embutido no posicionador de válvula digital é capaz de realizar autotestes, autocalibração e outros procedimentos de rotina tradicionalmente realizados por técnicos de instrumentos em posicionadores de válvula mecânicos. O posicionador de válvula digital também captura medições, como o curso total da haste, para prever quando a gaxeta se desgastará e envia automaticamente alertas de manutenção para notificar o operador e/ou técnico de instrumentos quando a gaxeta da haste precisa ser substituída!

7. Mau funcionamento do sensor de posição da válvula

Alguns posicionadores de válvula "inteligentes" monitoram a pressão do ar do atuador, além da posição da haste, e, portanto, têm um recurso útil de manter algum grau de controle da válvula em caso de falha do sensor de posição da haste. Se o microprocessador detectar uma falha no sinal de feedback de posição (fora da faixa), ele pode ser programado para continuar operando a válvula com base apenas na pressão:

Ou seja, a pressão do ar para o atuador da válvula é ajustada com base na função pressão/posição registrada no passado. Como não pode detectar a posição da haste, ele não funciona mais estritamente como um posicionador, mas ainda pode funcionar como um amplificador (em comparação com a taxa de fluxo de um I/P típico) e fornecer controle sensível da válvula, enquanto qualquer outro posicionador de válvula (não inteligente) realmente piorará a situação quando perder o feedback da posição da haste.

Com qualquer posicionador puramente mecânico, se a ligação de feedback da posição da haste for desalojada, a válvula de controle geralmente "satura" e abre completamente ou fecha completamente. Este não é o caso dos melhores posicionadores "inteligentes"!

8. Pressão do atuador e posição da haste

Provavelmente, os dados de diagnóstico mais importantes fornecidos por um posicionador de válvula digital são a comparação da pressão do atuador com a posição da haste, geralmente representada graficamente. A pressão do atuador é um reflexo direto da força aplicada à haste pelo atuador, uma vez que a relação entre a força do pistão ou diafragma e a pressão é simplesmente F=PA, onde a área (A) é uma constante. Assim, a comparação da pressão do ar do atuador com a posição da haste é, na verdade, uma expressão da força e da posição da válvula. Essa chamada caracterização da válvula é muito útil para identificar e corrigir problemas, como atrito excessivo da gaxeta, interferência com as partes internas da válvula e problemas de ajuste do carretel/assento.

Mostrado aqui está uma captura de tela mostrando a "caracterização da válvula" (tirada do produto de software ValveLink da Emerson, parte de seu pacote AMS) do comportamento de uma válvula de controle de passagem direta Fisher E-body aberta a ar:

Este gráfico mostra dois gráficos de pressão do atuador versus posição da haste, um em vermelho e outro em azul.

O gráfico vermelho mostra a resposta da válvula na direção de abertura, quando a válvula está aberta (para cima), pressão adicional é necessária para superar o atrito da gaxeta.

O gráfico azul mostra a válvula fechada, com menos pressão agora aplicada ao diafragma para permitir que a compressão da mola supere o atrito da gaxeta à medida que a válvula fecha (para baixo) para repousar.

As curvas acentuadas nas extremidades deste diagrama mostram a posição onde a haste da válvula atinge sua posição final e não pode se mover mais, apesar de outras mudanças na pressão do atuador.

De acordo com a Lei de Hooke, que descreve o comportamento das molas da válvula, cada gráfico é aproximadamente linear, com a força exercida na mola sendo proporcional ao deslocamento (compressão) dessa mola: F=kx. Qualquer desvio dos gráficos lineares individuais indica que existem forças diferentes da compressão da mola e da pressão do ar atuando na haste. É por isso que vemos uma mudança vertical nos dois gráficos: o atrito da gaxeta é outra força atuando na haste, além da compressão da mola e da força exercida pela pressão do ar no diafragma do atuador. A magnitude desse deslocamento é relativamente pequena, e sua consistência indica que o atrito da gaxeta é "saudável" nesta válvula. Quanto maior o atrito da gaxeta experimentado pela válvula, maior o deslocamento vertical dos dois gráficos.

A queda acentuada na extremidade esquerda do gráfico, onde o plugue da válvula entra em contato com o assento da válvula, é chamada de perfil do assento. O perfil do assento está localizado no final do gráfico, onde a válvula está fechada e contém muitas informações úteis sobre a condição física do plugue e do assento da válvula. À medida que essas partes internas da válvula se desgastam em uma válvula de controle, a forma do perfil do assento muda. Um perfil de assento irregular pode diagnosticar corrosão do assento, desgaste ou muitas outras condições.

Os contornos do assento podem ser examinados em detalhes ampliando a extremidade inferior esquerda do desenho do recurso da válvula. A figura a seguir mostra o perfil do assento de uma válvula de controle de passagem direta Fisher E-body em sua condição intacta:

Se a equipe de manutenção de uma instalação for diligente o suficiente para registrar as características da válvula de suas válvulas de controle após serem montadas ou reconstruídas, as características "originais" de qualquer válvula de controle podem ser comparadas às características da mesma válvula de controle em qualquer data posterior, permitindo que o desgaste seja determinado sem a necessidade de desmontar a válvula para inspeção.

Curiosamente, essa relação entre a pressão do atuador (força) e a posição da haste também se aplica aos posicionadores de válvula digitais usados em algumas válvulas motorizadas modernas. Com atuadores motorizados, a força aplicada à haste da válvula está diretamente relacionada à corrente do motor, que pode ser facilmente medida e interpretada pelo posicionador de válvula digital.

Como resultado, o mesmo tipo de dados de diagnóstico pode ser apresentado graficamente, mesmo quando diferentes tecnologias de atuador são usadas, para facilitar o diagnóstico de problemas da válvula. Esses diagnósticos se aplicam mesmo a válvulas motorizadas de abertura/fechamento que não são usadas em serviço de estrangulamento e são particularmente aplicáveis a válvulas de controle de gaveta, plugue e passagem direta, onde o engate do assento é importante para um fechamento hermético.