October 23, 2024
O posicionador de válvula (valve controller) é um dispositivo utilizado para controlar e regular com precisão a posição de uma válvula de controlo.ajusta a abertura da válvula para o ponto de ajuste desejado, garantindo assim que os parâmetros do processo (por exemplo, pressão, temperatura, caudal, etc.) permaneçam dentro de intervalos predeterminados.e são amplamente utilizados no petróleo e gásIndústrias químicas, farmacêuticas, de tratamento de águas e outras.
A posição da haste de uma válvula de comando pneumática está linearmente relacionada com a pressão de 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 actuador pneumático é função da pressão do ar e da área do pistão/diafragma (F=PA), e a mola, por sua vez, comprime ou alongar,produzindo uma força de reação igual e opostaO resultado final é que a pressão do atuador é linearmente traduzida em movimento do caule (x=PA/k).
1- Posicionador da válvula de controlo.
Esta relação linear e repetível entre a pressão do sinal pneumático e a posição da haste só é válida se, e apenas se,o diafragma de accionamento/pistão e mola são as únicas forças que agem sobre a hasteSe qualquer outra força agir sobre o mecanismo, a relação entre a pressão do sinal e a posição do caule deixará de ser ideal.
Infelizmente, existem muitas outras forças que agem sobre o caule, além das forças do atuador e forças de reação da mola.e a força de reação na bobina causada pela pressão diferencial na área da bobina é outraEssas forças se combinam para reposicionar o caule de modo que o movimento do caule não esteja precisamente relacionado com a pressão do fluido de ação.
Uma solução comum para este dilema é adicionar um posicionador de válvula ao conjunto da válvula de controle. A valve positioner is a motion control device designed to actively compare the stem position to a control signal and adjust the actuator diaphragm or piston pressure until the correct stem position is achieved:
O posicionador de válvula é, basicamente, um sistema de controlo: a posição da haste da válvula é a variável de processo (PV), o sinal de comando para o posicionador é o ponto de regulação (SP),e o sinal do posicionador para o atuador da válvula é a variável manipulada (MV) ou saídaAssim, quando o controlador de processo envia um sinal de comando para a válvula equipada com posicionador,o posicionador recebe esse sinal de comando e aplica a pressão de ar mais ou menos elevada ao atuador, conforme necessário para alcançar a posição desejada do tronco;Assim, o posicionador irá "lutar" contra qualquer outra força que atue sobre o tronco da válvula para obter um posicionamento claro e preciso do tronco de acordo com o sinal de comando.Um posicionador que funcione correctamente garante que a válvula de comando se comporta de acordo com o sinal de comando.
2Exemplo de posicionador de válvula pneumática
A imagem a seguir mostra um posicionador pneumático Fisher modelo 3582 montado numa válvula de controlo.
Parte do mecanismo de retroalimentação pode ser vista no lado esquerdo deste posicionador: um suporte metálico atornilhado ao conector do caule que se liga a um braço que se estende do lado do posicionador.Todos os posicionadores de válvulas de comando devem estar equipados 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 cinzenta com um manômetro de pressão no lado direito), aparece na próxima foto:
Como o posicionador anterior do Modelo 3582, este DVC6000 usa uma ligação de feedback no lado esquerdo para detectar a posição do caule da válvula.O mais novo DVC6200 usa um sensor de efeito Hall magnético para detectar a posição de um ímã atornilhado ao cauleEste projeto de retroalimentação de posição não mecânica elimina reações adversas, desgaste, interferências e outros problemas potenciais associados a ligações mecânicas.Melhor feedback é fundamental para um melhor posicionamento da válvula.
Os posicionadores de válvulas de comando são tipicamente construídos para gerar e descarregar fluxos de ar elevados, de modo que o posicionador também funciona como um amplificador de volume850.o posicionador não só garante um posicionamento mais preciso do caule, mas também velocidades mais rápidas (retardos de tempo mais curtos) do que os atuadores de válvulas 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 se fecha melhor.Esta vantagem não é óbvia à primeira vista e, por conseguinte, requer alguma explicação..
Em primeiro lugar, deve ser entendido que, numa válvula de comando, o contacto entre o carrinho e o assento não é suficiente para assegurar um fechamento firme.A bobina deve ser pressionada com força contra o assento para fechar completamente todo o fluxo através da válvulaQualquer pessoa que já tenha apertado a alça de uma torneira com vazamento (bocal de jardim) entende este princípio intuitivamente:uma certa quantidade de força de contato é necessária entre o plugue e o assento, a fim de deformar as duas partes ligeiramenteO termo técnico para este requisito mecânico é carga do assento.
Imaginem uma válvula de controlo pneumática de abertura direta, accionada por um diafragma, com uma posição de banco de 3 a 15 psi.o diafragma gera força suficiente para superar a pré-carga da mola do atuador, mas não o suficiente para tirar a bobina do banco.
Em outras palavras, a uma pressão de 3 psi no diafragma, a bobina entrará em contato com o assento, mas haverá pouca força para fornecer uma vedação apertada.Se esta válvula de controlo for alimentada diretamente a partir de um sensor I/P calibrado de 3 a 15 Psi, isto significa que a válvula vai fechar apenas a 0% do valor do sinal (3 Psi), em vez de fechar bem.toda a pressão do ar deve ser removida do diafragma para garantir que não haja força do diafragma contra a molaIsto não é possível para um I/P com uma gama 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 usa-lo como um comando (ponto de configuração) para a posição do tronco,Aplicando-se à membrana a pressão necessária para alcançar a posição do caule desejadaA forma correta de calibrar o posicionador é que a haste comece a levantar-se apenas quando o sinal tiver subido para um pouco acima de 0%,o que significa que a 0% (4mA) o posicionador vai tentar forçar a válvula a uma posição ligeiramente negativa do troncoPara atingir este requisito impossível, a saída do posicionador atingirá uma baixa saturação, sem exercer pressão sobre o diafragma de accionamento.resultando na força total da mola da válvula sobre o assento da válvulaUma comparação dos dois cenários é mostrada no gráfico abaixo:
Embora os posicionadores sejam úteis para atuadores de válvulas equipados com mola, 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 de retenção para retornar a válvula para a posição de segurança, não há relação da Lei de Hooke entre a pressão de ar aplicada e a posição do caule.O posicionador deve aplicar alternadamente a pressão do ar para ambas as superfícies do pistão para elevar e baixar o caule.
Motorized control valve actuators are another actuator design that absolutely requires some form of positioner system because the motorized unit cannot “sense” the position of its own shaft to move the control valve accuratelyPor conseguinte, a positioner circuit using a potentiometer or LVDT/RVDT transducer to detect the position of the valve stem and a set of transistor outputs to drive the motor is required to enable the electric actuator to respond to analog control signals.
4. Balanço de Força Pneumático posicionador
A seguir é apresentado um desenho simples do posicionador de válvula pneumática equilibrada por força:
O sinal de controlo para esta válvula é um sinal pneumático de 3 a 15 psi proveniente de um sensor de entrada/saída ou de um controlador pneumático (nenhum dos dois é mostrado no diagrama).Esta pressão do sinal de controlo exerce uma força ascendente sobre o feixe de forçaO aumento da contrapressão no bico faz com que o relé de amplificação pneumático forneça 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 se eleva, a mola que liga o atuador à haste da válvula se estende ainda mais, aplicando uma força adicional ao lado direito do atuador.Quando esta força adicional é equilibrada com a força dos foles, o sistema estabiliza-se num novo ponto de equilíbrio.
Como em todos os sistemas de equilíbrio de força, o movimento da vara é limitado pela força de equilíbrio, de modo que seu movimento é insignificante na prática.Equilíbrio é alcançado por uma força equilibrando outra, como duas equipas de pessoas puxando uma corda: enquanto as forças das duas equipas forem iguais em magnitude e em direção oposta, a corda não se desviará de sua posição original.
O diagrama a seguir mostra o posicionador de equilíbrio de forças PMV 1500 para posicionar um atuador de válvula rotativa com a tampa no (alto) e no (baixo):
Um sinal de controlo pneumático de 3 a 15 psi entra nos foles e empurra para baixo no feixe de força horizontal (preto).O conjunto de válvulas piloto pneumática no lado esquerdo do feixe de força detecta qualquer movimento e aumenta a pressão do ar para a válvula de accionamento diafragma se qualquer movimento para baixo é detectado, e libera a pressão do ar para o actuador se for detectado qualquer movimento ascendente:
Quando o ar comprimido entra no atuador da válvula através do conjunto da válvula piloto, a válvula rotativa começa a girar na direção aberta.O movimento rotativo do eixo é convertido em movimento linear dentro do posicionador por meio de uma cam: a cam é um disco com um raio irregular concebido para produzir um deslocamento linear a partir de um deslocamento angular:
Um seguidor de rolos localizado na extremidade do feixe de cor dourada se move ao longo da circunferência da cam.O movimento da cam é convertido em uma força de tração reta por compressão da mola da bobina diretamente contra a força dos fuzis pneumáticos no feixe de forçaQuando o movimento da camada for suficiente para comprimir a mola o suficiente para contrabalançar a força adicional gerada pelos foles pneumáticos,o feixe de força retorna à posição de equilíbrio (muito perto da posição inicial) e a válvula para de se mover.
Se olharem atentamente para a última foto, verão o parafuso de zero do posicionador: uma haste roscada que se estende por baixo do feixe dourado.Este parafuso ajusta a compressão da mola de viés de modo que a unidade posicionador pensa que a cam é em uma posição diferentePor exemplo, girar esta haste roscada no sentido dos ponteiros do relógio (visto a partir da extremidade entrelaçada do engate da chave de fenda) comprime ainda mais a mola, empurrando a haste mais escura para cima com mais força,obtenção do mesmo efeito que uma ligeira rotação contra-relógio da camIsto faz com que o posicionador tome medidas e gire a camada no sentido dos ponteiros do relógio para compensar, aproximando-a da posição de 0%.
Embora a cam e seguidor neste mecanismo posicionador realmente mover em resposta ao movimento do caule,Pode ainda ser considerado como um mecanismo de equilíbrio da força, uma vez que o membro transversal ligado à válvula piloto não se move de forma apreciávelAo equilibrar as forças sobre o feixe, 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 contrasta o movimento (não a força) de outro elemento.O seguinte diagrama de corte mostra como um posicionador de equilíbrio de movimento simples funciona:
Neste mecanismo, um aumento na pressão do sinal faz com que o feixe avance em direção ao bocal, resultando em uma pressão de volta maior do bocal,que, por sua vez, faz com que o relé de amplificação pneumático entregue mais pressão de ar ao atuador da válvulaÀ medida que a haste da válvula se eleva, o movimento ascendente da extremidade direita do feixe compensa o avanço anterior do feixe em direção ao bico.o feixe estará numa posição inclinada, onde o movimento do fole é equilibrado pelo movimento da haste.
A seguinte fotografia mostra uma visão de perto do mecanismo de posicionamento de balanço pneumático FISHER modelo 3582:
No centro do mecanismo está um anel de metal em forma de D que traduz o movimento do fole e o movimento do caule em movimento de defleção.os foles (localizados abaixo do canto superior direito do anel D) se expandemQuando o posicionador está definido para operação de acção directa, este movimento de balanço empurra o deflector mais perto do bico,que aumenta a contra-pressão e fornece mais ar comprimido para o atuador da válvula:
À medida que o caule se move, a alavanca de feedback gira a cam no fundo do anel D.O rolo? seguidor? nesta cam traduz o movimento da haste da válvula em outro movimento de balanço na vigaDependendo de como a cam é fixada no eixo de retorno, esse movimento pode fazer com que a aba da válvula se mexa mais longe do bico ou mais perto dele.A direção da camela deve ser escolhida para corresponder à ação do atuador: direto (o ar estende o caule da válvula) ou inverso (o ar retira o caule da válvula).
O mecanismo de anel em D é bastante engenhoso, pois permite um fácil ajuste de comprimento ajustando o ângulo do conjunto de defleção (perfurador) em vários pontos ao longo da circunferência do anel.Se o conjunto de deflectores estiver situado perto da horizontal, será mais sensível ao movimento dos foles e menos sensível ao movimento do caule, forçando a válvula a se mover mais para igualar o pequeno movimento dos foles (longo comprimento do curso).Se o conjunto de válvulas estiver situado perto da vertical, será o mais sensível ao movimento da haste e o menos sensível ao movimento dos foles, resultando num curso de válvula muito pequeno (ou seja,os foles terão de se expandir significativamente para equilibrar a pequena quantidade de movimento do caule).
6- Posicionador de válvula digital.
Lembre-se que o propósito de um posicionador de válvula é garantir que a posição de uma válvula mecânica sempre corresponda ao sinal comandado.O posicionador da válvula em si é realmente um sistema de controle de circuito fechadoA aplicação de uma pressão tão elevada ou tão baixa quanto possível sobre o actuador, para que este alcance sempre a posição de base comandada.e outros componentes físicos para alcançar este controlo de circuito fechado.
Os posicionadores digitais de válvulas (como o modelo Fisher DVC6000) utilizam sensores eletrónicos para detectar a posição da haste,um microprocessador para comparar a posição da haste detectada com um sinal de controlo através de subtração matemática (erro = posição - sinal), e, em seguida, um conversor de sinal pneumático e um relé para enviar pressão de ar para o atuador da válvula.
Como podem ver no diagrama, a estrutura interna de um posicionador de válvula digital é muito complexa.Mas dois algoritmos de controlo a trabalhar em conjunto para manter a posição correta da válvula- monitorizar e controlar a pressão aplicada ao atuador (compensando as variações da pressão de alimentação que possam afectar a posição da válvula),e o outro monitora e controla a posição do próprio caule da válvula, enviando sinais de controlo em cascata para o conjunto de controlo de pressão.
Um sinal de comando (de um controlador de circuito de processo, PLC ou outro sistema de controle) informa ao posicionador a posição do caule da válvula.O primeiro controlador (PI) dentro do posicionador calcula a quantidade de pressão de ar que o atuador precisa para atingir a posição do tronco necessáriaO próximo controlador (PID) aciona o conversor I/P (corrente para pressão) conforme necessário para atingir essa pressão.os dois controladores dentro do posicionador trabalharão juntos para forçar a válvula para a posição correta.
Não só um posicionador de válvula digital fornece controle de posição superior em comparação com um posicionador de válvula mecânica, but its array of sensors and digital communication capabilities provide a higher level of diagnostic data for maintenance personnel and supervisory control systems (if programmed to monitor and act on that data).
Os dados de diagnóstico fornecidos pelo posicionador digital de válvula incluem:
-- Pressão de abastecimento de ar
-- Pressão do ar do actuador
--Temperatura ambiente
--Erro de posição e pressão
- Viagem total da haste (semelhante a um odómetro de automóvel)
Além disso, o microprocessador incorporado no posicionador de válvula digital é capaz de realizar auto-testes, auto-calibração,e outros procedimentos de rotina tradicionalmente realizados por técnicos de instrumentos em posicionadores mecânicos de válvulas. The digital valve positioner also captures measurements such as total stem travel to predict when the packing will wear out and automatically sends out maintenance alerts to notify the operator and/or instrument technician when the stem packing needs to be replaced!
7Falha no sensor de posição da válvula.
Alguns posicionadores de válvulas "inteligentes" monitorizam a pressão do ar do atuador, além da posição do caule,e, portanto, têm uma característica útil de manter um certo grau de controle da válvula em caso de falha do sensor de posição da hasteSe o microprocessador detectar uma falha no sinal de feedback de posição (fora do intervalo), pode ser programado para continuar a operar a válvula com base apenas na pressão:
Isto é, a pressão do ar para o actuador da válvula é ajustada com base na função pressão/posição registrada no passado.já não funciona apenas como um posicionador, mas ainda pode funcionar como um reforço (em comparação com a taxa de fluxo de uma I/P típica) e fornecer um controlo sensível da válvula,Considerando que qualquer outro posicionador de válvula (não inteligente) irá realmente piorar a situação quando perde o feedback da posição da haste.
Com qualquer posicionador puramente mecânico, se a ligação de retorno da posição do caule for deslocada, a válvula de controle geralmente se "saturará" e se abrirá completamente ou fechará completamente.Este não é o caso dos melhores posicionadores "inteligentes".!
8Pressão do actuador e posição do tronco
Provavelmente, os dados de diagnóstico mais importantes fornecidos por um posicionador digital de válvulas 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 ao caule pelo atuador, uma vez que a relação entre a força do pistão ou do diafragma e a pressão é simplesmente F = PA, onde a área (A) é uma constante.a comparação da pressão do ar do atuador para a posição do caule é realmente uma expressão da força e posição da válvulaEsta chamada caracterização da válvula é muito útil para identificar e corrigir problemas como o atrito excessivo da embalagem, interferências com as válvulas internas e problemas de encaixe da bobina/assento.
Mostra-se aqui uma captura de tela mostrando a caracterização da válvula (tirada do produto de software ValveLink da Emerson,parte do seu conjunto AMS) do comportamento de uma válvula de controlo direta Fisher E-body aberta a ar:
Este gráfico mostra dois gráficos da pressão do atuador em relação à posição do tronco, um em vermelho e outro em azul.
O gráfico vermelho mostra a resposta da válvula na direção aberta, quando a válvula está aberta (para cima), é necessária uma pressão adicional para superar o atrito da embalagem.
O gráfico azul mostra a válvula fechada, com menos pressão agora aplicada ao diafragma para permitir que a compressão da mola supere o atrito de embalagem à medida que a válvula se fecha (abaixo) para descansar.
As curvas acentuadas nas extremidades deste diagrama mostram a posição em que a haste da válvula atinge a sua posição final e não pode mover-se mais, apesar de novas alterações na pressão do atuador.
De acordo com a Lei de Hooke, que descreve o comportamento das molas de válvulas, cada gráfico é aproximadamente linear,com a força exercida sobre a mola sendo proporcional ao deslocamento (compressão) dessa mola: F=kx. Qualquer desvio dos gráficos lineares indicam que existem outras forças que não a compressão da mola e a pressão do ar que agem sobre a haste.É por isso que vemos uma mudança vertical nos dois gráficos: o atrito de embalagem é outra força que age sobre o caule, para além da compressão da mola e da força exercida pela pressão do ar sobre o diafragma do atuador.A magnitude deste deslocamento é relativamente pequenaQuanto maior o atrito de embalagem experimentado pela válvula, maior o deslocamento vertical dos dois gráficos.
A queda acentuada no extremo esquerdo do gráfico, onde o tapete da válvula entra em contacto 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 da válvula e assentoComo estas válvulas internas desgastam-se em uma válvula de controle, a forma do perfil do assento muda.
Os contornos dos assentos podem ser examinados em detalhe aproximando-se da extremidade inferior esquerda do desenho das características da válvula.A figura a seguir mostra o perfil do assento de uma válvula de controlo direta Fisher E-body intacta.:
Se o pessoal de manutenção de uma instalação for suficientemente diligente para registar as características das válvulas de controlo após a sua montagem ou reconstrução,As características originais de qualquer válvula de comando podem ser comparadas com as características da mesma válvula de comando em qualquer data posterior., permitindo determinar o desgaste sem a necessidade de desmontar a válvula para inspecção.
Curiosamente, esta relação entre a pressão do atuador (força) e a posição do tronco também se aplica aos posicionadores de válvulas digitais utilizados em algumas válvulas motorizadas modernas.a força aplicada ao caule da válvula está diretamente relacionada com a corrente do motor, que pode ser facilmente medido e interpretado pelo posicionador digital da válvula.
Como resultado, o mesmo tipo de dados de diagnóstico pode ser apresentado graficamente, mesmo quando diferentes tecnologias de atuadores são utilizadas, para facilitar o diagnóstico de problemas de válvula.Estes diagnósticos aplicam-se mesmo às válvulas motorizadas de abertura/fechamento que não são utilizadas no serviço de estrangulação e são particularmente aplicáveis a portas de, válvulas de controlo de ligação e de ligação direta, onde a ligação do assento é importante para um fechamento firme.
