O que são válvulas de controle? Como funcionam as válvulas de controle?

Como funcionam as válvulas de controle?

Na produção industrial moderna, o controle preciso do fluxo de fluidos (como gás, vapor, água ou misturas químicas), pressão, temperatura e nível de líquido é fundamental para garantir a eficiência da produção, a qualidade do produto, a segurança operacional e a proteção ambiental. Como o "elemento de controle final" nos sistemas de automação industrial, as válvulas de controle desempenham um papel central nessa cadeia de controle complexa e precisa. Eles não são apenas dispositivos de ativação/desativação simples, mas respondem aos sinais dos controladores, alterando o tamanho do caminho do fluxo, alcançando assim a regulação direta e precisa das variáveis ​​de processo. O desempenho das válvulas de controle afeta diretamente a eficiência econômica, a segurança e o impacto ambiental dos processos industriais, tornando -os um investimento estratégico, em vez de uma simples compra de equipamentos.

Xiangjing, como um dos maiores fornecedores de válvulas de controle da China e posicionadores de válvulas, está comprometido em fornecer soluções de válvulas de controle de alta qualidade para ajudar as indústrias a alcançar o controle de fluidos eficiente, seguro e inteligente. Para mais informações, visite nosso site oficial:www.shgongboshi.com.

Componentes básicos de uma válvula de controle

Uma válvula de controle não é um único componente, mas um sistema integrado compreendendo vários componentes de precisão que trabalham em conjunto. Seus componentes principais incluem o corpo da válvula, os internos da válvula, o atuador e o posicionador da válvula, juntamente com vários acessórios, como conversores, reguladores de pressão de suprimento de ar, operadores manuais, amortecedores ou interruptores limitados.

Corpo de válvula: via de fluido e componente de porte de pressão

O corpo da válvula é o principal componente estrutural da válvula de controle e seu projeto determina o caminho do fluxo do fluido dentro da válvula. Serve como um vaso de pressão com portas de entrada e saída, através das quais o fluido flui através das portas e aberturas ou orifícios dentro do corpo da válvula. As funções primárias do corpo da válvula são suportar a pressão do fluido e fornecer suporte e um ambiente selado para os internos da válvula. Além disso, a estrutura do corpo da válvula influencia indiretamente as características da regulação do fluxo, pois a resistência ao fluxo de fluido e as características de queda de pressão estão intimamente relacionadas ao projeto das passagens internas dentro do corpo da válvula.

Interior da válvula: componentes diretamente em contato com o fluido, componentes principais para regulação do fluxo

Os internos da válvula são as partes da válvula de controle que entram diretamente em contato com o fluido controlado e são os componentes principais para alcançar a regulação do fluxo. Eles normalmente consistem em um assento de válvula, disco da válvula (ou plugue da válvula) e haste da válvula. A válvula interna controla com precisão a quantidade de fluido que passa, alterando sua posição relativa e folga com o assento da válvula. Por exemplo, quando o disco ou plugue da válvula é levantado ou girado, a área do canal de fluxo muda de acordo, regulando assim o fluxo do fluido. A forma geométrica e a seleção de materiais dos internos da válvula têm um impacto decisivo em suas características de fluxo, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e desempenho de vedação.

Atuador: fornece a força motriz para operação da válvula

O atuador é o "músculo" da válvula de controle, responsável pela conversão de sinais abstratos do sistema de controle em força mecânica para acionar os internos da válvula para o movimento físico. Ao receber o sinal de controle, ele aciona a válvula de acordo para alcançar a posição totalmente aberta, totalmente fechada ou intermediária, realizando assim o controle preciso da limpeza do fluxo do fluido.

Os atuadores podem ser classificados em vários tipos com base em sua fonte de energia e modo de movimento:

Classificação pelo modo de movimento:

• Atuadores lineares:Produza o movimento linear de push-pull, adequado para válvulas que exigem que a haste da válvula se mova para cima e para baixo, como válvulas globais, válvulas de porta e válvulas de diafragma.
• Atuadores rotativos:Produza o movimento rotacional, adequado para válvulas que requerem o disco ou a bola da válvula para girar, como válvulas de esferas, válvulas de borboleta e válvulas de plugue.

Válvula de controle pneumática de pescador

Classificado pela fonte de energia:

• Atuadores pneumáticos:
• Princípio de trabalho:Utiliza ar ou gás comprimido como fonte de energia, aplicando pressão de ar a um diafragma ou pistão para gerar movimento linear ou rotativo. A pressão do ar pode agir alternadamente em ambos os lados do pistão para obter movimento bidirecional (ação dupla) ou agir de um lado com uma mola, fornecendo a força de retorno (ação única). O movimento rotativo é normalmente alcançado através de um mecanismo de rack e pinhão.
• Vantagens:
1. Velocidade de resposta rápida: normalmente atinge 50–500 mm/s, mais rápido que os sistemas hidráulicos ou elétricos.
2. Intrinsecamente seguro: não depende da eletricidade e não produz faíscas, tornando -a altamente adequada para ambientes perigosos inflamáveis ​​e explosivos.
3. Estrutura simples, leve, fácil de instalar e manter: normalmente menor custo.
4. Fácil ajuste da força de saída e velocidade de operação.
5. Alta confiabilidade e vida útil longa.
6. Pode armazenar energia, ativar o suprimento de ar centralizado e liberar energia rapidamente para obter uma resposta de alta velocidade.
7. Forte adaptabilidade a cargas e sobrecargas de impacto.
8. Pode ser usado em ambientes de alta temperatura.
• Desvantagens:
1. Força de saída limitada: comparada aos atuadores hidráulicos, sua força de saída é geralmente menor.
2. Precisão relativamente baixa: devido à compressibilidade do ar, a velocidade de operação do cilindro é facilmente afetada pelas alterações de carga e sua estabilidade de baixa velocidade é inferior à dos cilindros hidráulicos.
3. Requer um sistema de suprimento de ar comprimido: isso inclui custos adicionais para compressores e tubulações.
4. A falha do compressor pode fazer com que todos os atuadores pneumáticos funcionem: no entanto, esse risco pode ser atenuado por um sistema de compressor de backup.
5. Ciclismo rápido pode causar efeitos de martelo de água.
6. O desempenho é suscetível à água e temperaturas extremas.
• Aplicações típicas: amplamente utilizadas no controle de processos, produtos químicos, alimentos e bebidas, tratamento de águas residuais, energia, mineração e indústrias de energia nuclear, onde são necessários um desempenho rápido de movimento e explosão.
• Atuadores elétricos:
• Princípio de trabalho:Acionado por um motor elétrico, o movimento rotacional do motor é convertido em movimento linear ou rotacional através de mecanismos de transmissão, como parafusos, engrenagens ou cintos para acionar as válvulas. Motores de passo ou motores servo são comumente usados ​​para obter controle de alta precisão.
• Vantagens:
1. Alta precisão e posicionamento repetível: fornece posicionamento de válvula extremamente preciso e repetível, tornando -o ideal para tarefas automatizadas.
2. Fácil de programar e integrar: conecta -se perfeitamente aos sistemas de controle digital e pode ser programado para obter padrões de movimento complexos.
3. Alta eficiência energética: normalmente consome menos energia do que os atuadores hidráulicos ou pneumáticos em aplicações de carga estática.
4. Requisitos de baixo manutenção: devido a menos peças e sem sistemas de fluidos envolvidos, os requisitos de manutenção são extremamente baixos.
5. Operação tranquila.
6. Não afetado por flutuações na tensão e frequência de fornecimento.
7. Velocidade de rotação ajustável.
• Desvantagens:
1. Custo mais alto: normalmente mais caro que os atuadores pneumáticos.
2. Velocidade relativamente lenta: especialmente em aplicações que exigem alto impulso.
3. Dependente da fonte de alimentação: requer uma fonte de energia de backup ou um mecanismo de retorno de mola durante as quedas de energia para garantir a segurança.
4. Não é adequado para ambientes explosivos: a menos que seja especialmente projetado para proteção de explosão.
5. Design complexo, exigindo conhecimento especializado para instalação e manutenção.
• Aplicações típicas:Amplamente utilizado em geração de energia, tratamento de água, produtos farmacêuticos, braços robóticos, correias transportadoras, linhas de montagem automatizadas, máquinas agrícolas, sistemas de ventilação e iluminação e equipamentos de manuseio e limpeza de materiais, onde são necessários níveis precisos e altos níveis de integração de automação.
• Atuadores hidráulicos:
• Princípio de trabalho:Utiliza o fluido pressurizado (tipicamente o óleo hidráulico) como fonte de energia para converter a pressão do fluido em movimento mecânico. A incompressibilidade do óleo hidráulico garante posicionamento de válvula estável e confiável, com pistões em vez de diafragmas normalmente usados ​​para gerar impulso poderoso.
• Vantagens:
1. Alta força de saída/torque: capaz de gerar força mecânica significativa, adequada para operar válvulas grandes, pesadas ou de alta pressão, com força de saída excedendo em muito a dos atuadores pneumáticos.
2. Posicionamento de alta precisão: devido à incompressibilidade do óleo hidráulico, permite o posicionamento da válvula altamente preciso e estável.
3. Velocidade de resposta rápida: Adequado para desligamento de emergência (ESD) e aplicações de válvula que requerem ação rápida.
4. Durável e robusto, com requisitos de manutenção relativamente baixos e uma longa vida útil.
5. Pode implementar mecanismos de proteção de falhas.
• Desvantagens:
1. Sistema complexo com custos mais altos: requer um sistema de bomba hidráulica dedicada, tornando a instalação e o design do sistema mais complexos.
2. Risco de vazamento de fluidos: é necessária manutenção regular para evitar vazamentos de óleo hidráulico.
3. Não é adequado para todos os ambientes: certos projetos podem ter limitações.
• Aplicações típicas:Utilizado principalmente em oleodutos e gasodutos, usinas de energia, indústria de petróleo e gás natural, barragens e usinas hidrelétricas - aplicações industriais tenhas que requerem alta força, alto torque e resposta rápida.
• Atuadores eletro-hidráulicos:Esses atuadores combinam as vantagens de motores elétricos e unidades de energia hidráulica, oferecendo a alta força de saída dos sistemas hidráulicos enquanto atinge a precisão do controle elétrico. Eles são particularmente adequados para locais remotos que exigem controle preciso da posição da válvula.

A tabela a seguir compara diferentes tipos de atuadores:

Posicionador de válvula: Garantindo o posicionamento preciso da válvula

O posicionador da válvula serve como as válvulas críticas de "cérebro" que permitem a alcance de alta precisão, capacidade de resposta e estabilidade. Ele desempenha um papel indispensável nos conjuntos de válvulas de controle, principalmente quando as válvulas requerem controle de limitação.

Posicionador de válvula de Fisher Emerson

A função e a importância dos posicionadores de válvulas

A função principal de um posicionador de válvula é garantir que a posição real da haste da válvula ou do eixo da válvula corresponda precisamente ao sinal de comando emitido pelo sistema de controle. Ao monitorar continuamente a posição real da válvula e fazer correções, ele supera efetivamente as limitações mecânicas inerentes à válvula, como o atrito da embalagem da haste da válvula, o atraso do atuador e as forças desequilibradas exercidas pelo fluido no plugue da válvula.

O posicionador usa seu mecanismo de controle de feedback de circuito fechado interno para ajustar continuamente a pressão aplicada ao atuador, “neutralizando outras forças que atuam na haste da válvula," garantindo que a válvula "se comporte adequadamente" e "obedeça ao sinal de controle". Essa capacidade de controle precisa melhora significativamente o desempenho geral do sistema de controle, incluindo:

Precisão de controle aprimorada: garantir que a taxa de fluxo real corresponda precisamente ao sinal de controle, seja crítico para processos sensíveis a pequenos desvios.

• Tempo de resposta mais rápido:Ao carregar e ventilar rapidamente, o tempo necessário para o processo de resposta à válvula é reduzir.
• Estabilidade aprimorada do processo:Compensar as mudanças nas condições do processo (como flutuações de pressão e alterações na taxa de fluxo) mantém controle consistente, o que é crítico para a qualidade do produto e a segurança do sistema.
• Resíduos reduzidos e segurança aprimorada:Otimiza a utilização de recursos e reduz os riscos de acidentes por meio de controle preciso.
• Vida por vida útil prolongada e custos de manutenção reduzidos:Minimiza o desgaste compensando as alterações no desempenho da válvula ao longo do tempo, permitindo a manutenção preditiva.
• Amplificação de sinal:O posicionador pode lidar com taxas mais altas de fluxo de ar, também funcionando como um reforço de volume, fornecendo velocidades mais rápidas da haste da válvula e atrasos mais curtos.
• Alcance o fechamento apertado:Ao saturar a saída para o sinal mínimo a 0%, o plugue da válvula é apertado fortemente pressionado contra o assento, garantindo desligamento confiável de levedura zero.
• Crítico para atuadores de pistão de ação dupla sem mola e atuadores elétricos sem capacidade de detecção de posição inerente.

O princípio de trabalho de um posicionador de válvula: Controle de feedback em circuito fechado

O núcleo da operação de um posicionador de válvula é o seu sistema de controle de feedback em circuito fechado. Ele recebe sinais de entrada (ponto de ajuste) do sistema de controle enquanto medem a posição real do haste da válvula ou eixo da válvula (sinal de feedback) por meio de meios mecânicos ou eletrônicos. O controlador dentro do posicionador compara a diferença entre o ponto de ajuste e a posição real, calcula o sinal de erro e ajusta o sinal de saída (normalmente a pressão pneumática) enviada ao atuador com base nesse erro, acionando assim a válvula para se mover em direção à posição desejada até que o erro seja eliminado.

• Princípio de trabalho detalhado dos posicionadores pneumáticos:
  Os posicionadores pneumáticos normalmente operam com base no princípio do equilíbrio de força. Quando o sinal do ar do instrumento aumenta, ele atua no diafragma do sinal, acionando a haste da válvula conectada ao diafragma do sinal e à placa conectada para se mover para a direita. Isso abre a placa de air de suprimentos, permitindo que a pressão do ar de suprimento entre na extremidade da saída conectada ao diafragma do atuador, enquanto a placa de escape permanece fechada. O aumento da pressão interna dentro do atuador empurra o haste da válvula para baixo, fazendo com que a alavanca do posicionador gire no sentido horário e comprime a mola de alcance através do came. A haste da válvula continua a se mover até atingir a posição especificada pelo controlador, momento em que a força compressiva da faixa da mola equilibra a força gerada pelo diafragma do sinal e os amortecedores de suprimento e escape fecham, interrompendo o movimento da válvula. Por outro lado, quando o sinal de controle diminui, a força exercida pelo diafragma do sinal diminui, e a força da mola do alcance empurra a haste da válvula conectada ao amortecedor à esquerda, abrindo o amortecedor de escape, reduzindo a pressão do atuador e fazendo com que a haste da válvula se move para cima até que um novo saldo de força seja estabelecido.
• Princípio de trabalho do posicionador digital:
  O posicionador digital usa um microprocessador para executar algoritmos de controle de posição, em vez de feixes de equilíbrio mecânico, cames e conjuntos de amortecedores. O microprocessador lê o sinal de controle, o processa através de algoritmos digitais e o converte em um sinal de corrente de unidade enviado ao conversor I/P. O conversor I/P converte o sinal de corrente em um sinal de pressão pneumático, que é então transmitido ao atuador por meio de um relé de amplificador pneumático. O feedback sobre a posição da válvula (normalmente por meio de sensores sem contato, como os sensores de efeito Hall) é enviado de volta ao microprocessador. A haste da válvula continua a se mover até que a posição correta seja atingida, momento em que o microprocessador estabiliza o sinal de acionamento para o conversor I/P, alcançando um equilíbrio preciso.

Classificação e características da positiva da válvula

Com base em seus princípios operacionais e no tipo de sinais que eles recebem, os posicionadores de válvulas podem ser classificados nas seguintes categorias:

• Posicionadores pneumáticos:
• Princípio operacional:Recebe sinais pneumáticos (normalmente 3-15 psi ou 6-30 psi) e fornece pressão de ar correspondente ao atuador pneumático para garantir que a haste da válvula ou a posição do eixo da válvula seja proporcional ao sinal de entrada pneumático.
• Vantagens:
1. Design e estrutura simples:Fácil de fabricar e manter.
2. Custo mais baixo:Normalmente mais econômico do que outros tipos.
3. Operação confiável:Conhecido por seu desempenho confiável.
4. Intrinsecamente seguro:Não é necessária eletricidade, nenhuma faísca gerada, adequada para ambientes explosivos.
5. Pode fornecer impulso alto para fechar válvulas.
• Desvantagens:
1. Precisão e resolução limitadas: menor precisão em comparação com tipos mais avançados.
• Aplicações típicas:Adequado para aplicações simples e robustas, onde o sinal de controle e o atuador da válvula são pneumáticos, além de ambientes onde existem eletricidade indisponível ou existem riscos explosivos, como plantas químicas ou refinarias.
• Posicionadores eletro-pneumáticos:
• Princípio de trabalho:Converte sinais de controle elétrico (normalmente 4-20 mA ou 0-10 VCC) em sinais de saída pneumática, que controlam o atuador da válvula. Como muitas unidades de controle de processo usam sinais de 4 a 20 mA DC para regular as válvulas de controle, os posicionadores eletro-pneumáticos (também conhecidos como posicionadores ou sensores de I/P) são responsáveis ​​por converter sinais eletrônicos em sinais de pressão pneumática.
• Vantagens:
1. Maior precisão e resolução: fornece maior precisão do que os posicionadores pneumáticos puros.
2. Capaz de lidar com sinais de controle elétrico: Adequado para sistemas que usam sinais elétricos para controle.
3. Versatilidade: combina a precisão do controle eletrônico com a robustez e a segurança da operação pneumática.
4. Precisão de controle e tempo de controle aprimorado.
• Desvantagens:
1. Design e estrutura mais complexos:Mais complexo que os posicionadores pneumáticos.
2. Custo mais alto:Mais caro que os posicionadores pneumáticos.
• Aplicações típicas:Amplamente utilizado em ambientes industriais com infraestrutura elétrica e pneumática, bem como processos que requerem estratégias de maior precisão e controle complexas.
• Posicionadores digitais:
• Princípio de trabalho:Utilizando a tecnologia digital avançada, esses dispositivos empregam microprocessadores para posicionar atuadores de válvulas e monitorar e registrar dados. Eles recebem sinais elétricos (como 4-20 Ma, ou protocolos de comunicação digital como Hart, Foundation Fieldbus, Profibus, etc.).
• Vantagens:
1. Alta precisão e resolução:Forneça recursos excepcionais de precisão e controle.
2. Funções de diagnóstico avançado:Detecte as anormalidades da válvula e os sinais de deterioração, realizam auto-diagnóstico e apoiem a manutenção preditiva para reduzir os custos de manutenção.
3. Recursos de auto-calibração e monitoramento remoto:Simplifique a configuração e a operação, permitindo que os usuários ajustem e configurem as configurações a qualquer hora, em qualquer lugar.
4. Baixo consumo de ar:Mais eficiente em termos de energia do que os posicionadores analógicos.
5. Sem desgaste mecânico e histerese mínima:Especialmente ao usar a tecnologia de feedback sem contato, elimina questões como desgaste mecânico, afrouxamento, corrosão e danos à vibração, melhorando significativamente a confiabilidade e a vida útil.
6. Estrutura simples e confiável com uma longa vida útil operacional.
7. Econômico:Embora o custo inicial seja maior, a longo prazo, ele pode economizar custos significativos por meio de operação otimizada e tempo de inatividade reduzido.
• Desvantagens:
1. Custo mais alto:Normalmente mais caro que atuadores pneumáticos e elétricos.
2. Ainda podem existir problemas de desgaste mecânico se a tecnologia de feedback sem contato não for usada.
• Aplicações típicas:Adequado para aplicações de alta precisão, altamente automatizadas, complexas e críticas que requerem aquisição de dados e integração de IoT, como petróleo e gás, refino, energia, produtos químicos, polpa e papel, ciências da vida, alimentos e bebidas e indústrias de mineração.

A tabela a seguir compara diferentes tipos de posicionadores de válvulas:

Considerações de seleção e pontos de manutenção

A seleção do posicionador de válvula apropriado requer consideração abrangente de vários fatores para garantir o desempenho ideal em aplicativos específicos:

1. Suporte para controle de variação dividida:Alguns posicionadores podem responder a faixas específicas de sinais de entrada, permitindo que um único controlador controlasse duas ou mais válvulas para um controle mais preciso.
2. Conveniência de Zero e Ajuste do Span:Alguns posicionadores permitem o ajuste de zero e span sem abrir a tampa, mas por motivos de segurança, esses ajustes devem ser usados ​​com cautela ou proibidos.
3. Estabilidade de zero e span:Se zero e o alcance deriva facilmente sob alterações de temperatura, vibração, tempo ou pressão de entrada, é necessária uma calibração frequente para garantir a precisão do deslocamento da válvula.
4. Precisão do posicionador:Idealmente, para cada sinal de entrada, os componentes internos da válvula (plugue da válvula, haste da válvula, sede da válvula etc.) devem atingir com precisão a posição desejada sempre, independentemente da direção do deslocamento ou tamanho de carga.
5. Requisitos de qualidade do ar:Como o suprimento de ar no local geralmente falha em atender aos padrões da ISA, os posicionadores de válvula pneumática devem ser capazes de suportar certos níveis de poeira, umidade e contaminação por óleo.
6. Compatibilidade:Verifique se o posicionador é compatível com o tipo de válvula, atuador e controlador de processo que está sendo usado.
7. Restrições de espaço e recursos de segurança:Considere o espaço de instalação e selecione um posicionador com recursos de segurança, como funcionalidade de desligamento de emergência, para reduzir os riscos em aplicações perigosas.

A instalação, a calibração e a manutenção regular adequadas são essenciais para garantir o desempenho e a longevidade ideais do posicionador. Com recursos de diagnóstico aprimorados, como os dos posicionadores de válvulas inteligentes da Azbil 700 Series, é possível a detecção on-line de anormalidades das válvulas e sinais de deterioração, permitindo uma mudança da manutenção baseada no tempo para a manutenção preditiva baseada em condições, reduzindo significativamente os custos de manutenção e melhorando a eficiência do sistema.

Válvula de controle de Fisher

O princípio de trabalho das válvulas de controle: dos sinais de controle à regulamentação precisa

Válvulas de controle desempenham o papel de "elementos de controle final" no Industrial AUT