Guia de Elementos de Controle e Medição Industrial

Elementos Finais de Controle

Mecanismo que varia a quantidade de energia ou material (agente de controle), em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável controlada em um valor predeterminado.

A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial. Em sistemas de controle para gases e ar, é também usado o damper, porém poderemos citar outros elementos, tais como: bombas, resistências elétricas, motores, etc.

Como o controlador, o elemento final de controle pode ser operado por meios elétricos, pneumáticos e mecânicos.

Desempenha papel importante no controle automático de processos que dependem da correta distribuição e controle de fluidos líquidos e gasosos. São considerados como o músculo do controle automático. Fornecem a necessária amplificação de forças entre os baixos níveis de energia, fornecidos pelos controladores, e os maiores níveis de energia necessários para o desempenho de suas funções de fluidos.

Atuador

Elemento responsável em proporcionar a força motriz. Classifica-se em cinco tipos principais:

• Pneumático a mola e diafragma;
• Pneumático a pistão;
• Elétrico;
• Eletro-hidráulico;
• Hidráulico.

Corpo

É a parte da válvula que executa a ação de controle, permitindo maior ou menor passagem do fluido no seu interior conforme a necessidade do processo. Divide-se em:

1. Internos;
2. Castelo;
3. Flanges inferiores.

Válvulas de Deslocamento Linear

Define-se por válvula de deslocamento linear a válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante.

Válvulas Globo

Corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla. Sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluido. O termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica. É do tipo de deslocamento de haste. A conexão com a linha pode ser através de flanges, rosca ou solda.

O obturador é guiado na base, no topo e/ou em sua saia e sua montagem faz com que a válvula feche ao descer a haste. Corpo reversível porque poderemos montá-lo utilizando exatamente as mesmas peças.

Válvulas Globo Sede Simples

Vantagens:

• Menor custo de fabricação;
• Fácil manutenção;
• Operação simples;
• Fecham com pouco ou nenhum vazamento;
• Classificadas como classe IV, ou seja, ocasionam um vazamento quando a válvula está totalmente fechada da ordem de 0,01% da sua capacidade de vazão máxima.

Desvantagens:

• Necessário mais força para o atuador posicionar o obturador, pelo fato de ser uma válvula cujo obturador não é balanceado.
• A força que atua sobre o obturador quando a válvula está fechada é dada pelo produto da área total do orifício pela Pressão Diferencial através da válvula.

Se instalada de forma que a vazão tende a fechar, é possível o martelamento da sede pelo obturador, fenômeno conhecido como "CHATTERING" (quando a força de desequilíbrio é relativamente alta em comparação com a força de posicionamento do obturador).

Válvula Globo tipo Gaiola

O amplo sucesso deste estilo de válvula é devido à:

• Facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas;
• Alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia do obturador;
• Capacidade de vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional;
• Menor peso das partes internas, resultando em menor vibração horizontal e menor ruído de origem mecânica;
• Não possuindo flange inferior, a válvula é algo mais leve que as globo convencionais.

Tipos: Sede simples; Balanceada; Micro Fluxo; Angular Sede simples; Angular Balanceada; Duplo Estágio; Baixo ruído.

Descrição: O fluido entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola. Apresenta apenas guia na gaiola; trata-se de um tipo não balanceado como a globo convencional, pois a força do fluido tende a abrir a válvula. Por não ser balanceada, apresenta o mesmo inconveniente de precisar de uma grande força de atuação.

Outros Tipos de Válvulas de Controle

Válvula tipo Diafragma ou Saunders

Configuração totalmente diferente das outras válvulas de controle. Utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão.

Descrição: Consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento.

Vantagens: Baixo custo, total estanqueidade quando fechada e facilidade de manutenção.

Desvantagens: Não apresenta boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação. Sua utilização é limitada em diâmetros de até 6” para controle modulado e limitada pela temperatura do fluido em função do material do diafragma (neoprene ou Teflon).

Válvula tipo Guilhotina

Principal aplicação em controle biestável com fluidos pastosos, tais como massa de papel. Aplicada em indústrias de papel e celulose, químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimento de água, etc. Fabricada em diâmetros de 2” até 24”.

Vantagens: Baixo peso, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo e custo inicial mais baixo.

Desvantagens: Limitações em diâmetros inferiores a 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas em grandes diâmetros.

Válvula tipo Borboleta

Corpo de duas vias de passagem retas, com internos de sede simples e elemento vedante constituído por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial. Consiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. Tem grande capacidade e, em tamanhos grandes, são mais econômicas que as válvulas globo. Sua aplicação é limitada pelo torque necessário em altas pressões diferenciais.

Válvula tipo Esfera

Recomendada para trabalhar com líquidos viscosos, corrosivos e abrasivos, além de gases e vapores. Proporciona vedação estanque e permite uma adequada ação de controle modulado.

Válvula tipo Obturador Rotativo (Excêntrico)

Recomendada para aplicações de utilidades ou auxiliares. O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico. Tal particularidade possibilita-lhe uma redução do torque de atuação, permitindo uma operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer sentido.

Medição de Nível

Os três métodos básicos de medição de nível de líquidos são:

• Direto: Medição em relação à posição do plano superior da substância. Utiliza réguas, visores de nível ou boias.
• Indireto: Medição através de outras variáveis físicas.

Métodos Diretos

• Régua ou Gabarito: Régua graduada introduzida no reservatório; a leitura é feita pelo comprimento molhado.
• Visores de Nível: Utiliza o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por um visor de vidro especial.
• Boia ou Flutuador: Boia presa a um cabo ligado a um contrapeso com ponteiro e escala graduada.

Métodos Indiretos

• Pressão: Utiliza a pressão exercida pela altura da coluna líquida (Teorema de Stevin).
• Borbulhador: Detecta o nível de líquidos viscosos ou corrosivos através da pressão de ar/gás necessária para vencer a coluna líquida.
• Empuxo: O medidor varia com a densidade do líquido.
• Raios Gama: A radiação captada é inversamente proporcional ao nível do líquido.
• Capacitivo: Mede a capacitância entre um eletrodo submerso e as paredes do tanque.
• Ultrassom: Utiliza ondas sonoras para detecção contínua ou como chave de nível.

Conceitos de Pressão

• Pressão Atmosférica: Exercida pela atmosfera terrestre (aprox. 760 mmHg ao nível do mar).
• Pressão Relativa (Manométrica): Medida em relação à pressão atmosférica.
• Pressão Absoluta: Soma da pressão relativa e atmosférica (medida a partir do vácuo absoluto). Ex: 3 Kgf/cm²a.
• Pressão Relativa Negativa (Vácuo): Pressão inferior à atmosférica.
• Pressão Diferencial (ΔP): Diferença entre duas pressões, usada para medir vazão, nível e densidade.
• Pressão Estática: Peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou fluindo perpendicularmente.
• Pressão Dinâmica: Exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente.
• Pressão Total: Somatória das pressões estáticas e dinâmicas.

Elementos Sensíveis de Pressão

1. Tubo Bourdon: Tubo de seção oval que tende à seção circular sob pressão, movendo um ponteiro (Tipos: C, Espiral e Helicoidal).
2. Membrana ou Diafragma: Disco de material elástico que se desloca proporcionalmente à pressão.
3. Fole: Cilindro metálico sanfonado, geralmente usado com uma mola de retorno.
4. Coluna de Líquido: Tubo de vidro (U, vertical ou inclinada) com água ou mercúrio.
5. Sensor Piezoelétrico: Cristais que geram carga elétrica sob deformação física.
6. Sensor Strain Gauge (Piezoresistivo): Baseia-se na variação da resistência elétrica de um fio por deformação.
7. Sensor Capacitivo: A pressão deforma as armaduras de um capacitor, alterando sua capacitância.
8. Sensor de Silício Ressonante: Utiliza a frequência de vibração de uma cápsula de silício proporcional à pressão.

Medição de Vazão

Placa de Orifício

O método mais comum. Consiste em uma placa perfurada instalada perpendicularmente à tubulação.

• Orifício Concêntrico: Para líquidos, gases e vapores sem sólidos.
• Orifício Excêntrico: Para fluidos com sólidos em suspensão (posicionado na base).
• Orifício Segmental: Para fluidos laminados com alta porcentagem de sólidos.

Tipos de Bordo: Quadrado (aresta viva para > 6"), Arredondado (fluidos viscosos) e Entrada Cônica (uso geral).

Orifício Integral: Utilizado em tubulações menores que 2".

Outros Dispositivos de Vazão

• Tubo Venturi: Garganta estreitada que acelera o fluido e baixa a pressão estática; alta recuperação de pressão.
• Bocal (Flow Nozzle): Meio termo entre placa e Venturi, ideal para fluidos abrasivos.
• Tubo Pitot: Mede a vazão através da velocidade detectada em um ponto.
• Medidor Tipo Annubar: Dispositivo de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo para medir a vazão total.

Na indústria, a malha para medição de vazão mais utilizada pelo princípio da pressão diferencial variável é através da placa de orifício.