Malhas de Controle de Vazão e Nível

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MEDIÇÃO E CONTROLE: MALHAS DE CONTROLE DE VAZÃO E NÍVEL
Alberto Filho
Bárbara Leitão
Bruno Motta
Camila Bicalho
Daniel Neto
Mateus Sancler
Raquel Ferreira
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Sumário
Malhas de controle
São estruturas utilizadas para realizar o controle de um dado sistema que necessita ser observado para medir as variáveis de saída. Para que o sistema tenha uma maior precisão e fazer com que ele reaja à perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência, gerando assim uma diferença que será usada para determinar o sinal de controle. 
Manter as características importantes no processo nos valores desejados (setpoints), apesar dos efeitos de perturbações externas.
Malhas de controle
Com um controle mais eficiente tem-se:
menor desvio padrão na saída
maior proximidade entre o set-point e a especificação
maior otimização
Estratégias de controle
Controle Realimentado (Feedback Control)
A ação corretiva ocorre tão logo que a variável controlada desvia-se do ponto de ajuste, independente da fonte ou tipo de distúrbio.
Figura 2 – Esquema de Feedback Control
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAsxoAI/controle-processos
Estratégias de controle
Controle Realimentado (Feedback Control)
Estratégias de controle
Controle Antecipatório (Feedforward control)
Tomada de decisão da correção pelo aparecimento de um desvio em outras variáveis de operação (que não seja a variável controlada).
Figura 3 - Esquema de Feedforward Control
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAsxoAI/controle-processos
Estratégias de controle
Controle Antecipatório (Feedforward control)
Estratégias de controle
Controle Cascata
Controle por Razão;
Controle Seletivo e Override;
Controle por Faixa Dividida (Split Range);
Controle Adaptativo;
Controle Neural;
Controle Nebuloso (Fuzzy).
Malhas de controle de vazão
Malhas de controle de vazão são sempre auto-reguláveis e com resposta muito rápida: após a válvula de controle se posicionar em um novo valor, a vazão final será alcançada em frações de segundos, no máximo em poucos segundos. Isto significa dizer que a resposta da malha de vazão depende principalmente dos atrasos do sensor de medida, do controlador, da linha de transmissão e da válvula de controle. 
Presença de muito ruído no sinal de vazão, normalmente associado ao regime turbulento de escoamento. Por esse motivo é que o sensor de vazão deve conter alguma capacidade de filtragem desse ruído, seja por exemplo tornando-o altamente amortecido.
Malhas de controle de vazão
Figura 4 – Exemplo prático de Malha de Controle de Vazão
Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/951-tipos-de-malha-de-controle-de-processos-industriais
Controle de Relação
Neste tipo de controle, o valor do setpoint de uma das variáveis depende diretamente do valor de uma segunda variável de processo, normalmente denominada como variável piloto. Basicamente, este controle serve para manter uma determinada proporção entre dois ou mais produtos. A figura 6 exemplifica isso trazendo uma aplicação onde se deseja obter um refresco de fruta a partir da vazão de concentrado de suco (Q1), e de uma determinada vazão de água (Qa).
F.6 - Fabricação de refresco de fruta
A relação k depende da fórmula de fabricação, a qual determina o sabor característico (que obviamente deve ser sempre o mesmo) do produto final do processo. Neste caso,refresco de fruta. Fica, portanto, evidente que independentemente da variação da vazão do concentrado de suco, o sistema deve ser capaz de ajustar o valor da vazão da água, mantendo assim a relação entre a água e o concentrado de suco. Daí o nome: controle de relação. Sua malha mais completa é apresentada na figura 7.
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Malhas de controle de vazão
Figura 5 – Controle da Vazão de uma corrente de Vapor
Fonte: http://www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp2/pdf/aula_malhas.pdf
Controle de Relação
Neste tipo de controle, o valor do setpoint de uma das variáveis depende diretamente do valor de uma segunda variável de processo, normalmente denominada como variável piloto. Basicamente, este controle serve para manter uma determinada proporção entre dois ou mais produtos. A figura 6 exemplifica isso trazendo uma aplicação onde se deseja obter um refresco de fruta a partir da vazão de concentrado de suco (Q1), e de uma determinada vazão de água (Qa).
F.6 - Fabricação de refresco de fruta
A relação k depende da fórmula de fabricação, a qual determina o sabor característico (que obviamente deve ser sempre o mesmo) do produto final do processo. Neste caso,refresco de fruta. Fica, portanto, evidente que independentemente da variação da vazão do concentrado de suco, o sistema deve ser capaz de ajustar o valor da vazão da água, mantendo assim a relação entre a água e o concentrado de suco. Daí o nome: controle de relação. Sua malha mais completa é apresentada na figura 7.
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Dispositivos de controle de vazão
Placa de Orifício
Uma típica placa de orifício é uma restrição colocada na tubulação com uma abertura concêntrica e afiada menor que o diâmetro do tubo.
Devido a essa menor área de escoamento, a velocidade do fluido aumenta, causando uma redução na pressão. A vazão pode ser calculada a partir da medição da queda de pressão através da placa de orifício.
A placa de orifício é o sensor de vazão mais comumente usado. Entretanto, ela cria uma pressão não recuperável grande devido a turbulência formada em torno da placa, levando com isso a um consumo de energia alto.
Dispositivos de controle de vazão
Placa de Orifício
Figura 6 – Placas de Orifício
Fonte: http://www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp2/pdf/aula_malhas.pdf
Dispositivos de controle de vazão
Tubo de Venturi
O tubo venturi é similar a uma placa de orifício. Contudo, ele é projetado para eliminar a separação da camada limite e, portanto, formar arraste.
A mudança na seção transversal do tubo venturi causa a mudança da pressão entre a seção de entrada e a garganta, e a vazão pode ser determinada por essa queda de pressão.
Embora com projeto mais caro do que uma placa de orifício, o tubo venturi cria uma pressão não recuperável bem menor.
Dispositivos de controle de vazão
Tubo de Venturi
Figura 7 – Tubo de Venturi
Fonte:http://www.flowmaster.com.br/uploads/produtos/Tubo_venturi5.jpg
Dispositivos de controle de vazão
Ultrasônico
Um medidor de vazão ultrasônico mede a velocidade de um fluido utilizando o princípio do ultrasom. O sensor ultrasônico calcula a diferença de tempo gasto entre dois feixes ultrasônicos, emitidos a favor e contra o escoamento, para atingirem os receptores de ultrassom do lado oposto.
Existem outros dois tipos de sensores ultrasônicos: o de reflexão ou Doppler, que requer a presença de partículas refletoras, bolhas ou turbulência e pode ser aplicado em canal de escoamento aberto.
Eles não envolvem custos elevados de manutenção e uso porque normalmente são não invasivos ou possuem partes móveis.
Dispositivos de controle de vazão
Ultrasônico
Figura 8 – Sensor Ultrasônico e Esquema de um sensor Ultrasônico Doppler
Fonte: http://www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp2/pdf/aula_malhas.pdf
Malhas de controle de NÍVEL
São responsáveis pelos “balanços de massa” das plantas;
Está relacionado diretamente com a vazão do processo.
Manter a estabilidade do sistema;
Sintonizar a malha de nível – perturbações.
Figura 9 – Sistema de controle de nível
Fonte: http://www.mspc.eng.br/contr/ctrl_0110.shtml
Malhas de controle de NÍVEL
Sistemas de controle de nível se apresentam em duas categorias:
o nível é uma variável importante do processo
a vazão de saída é a variável importante do processo
Quanto a exatidão do controle de nível tem-se:
o nível deve ser mantido praticamente constante a despeito das perturbações no sistema
o valor exato do nível não é primordial, desde que o tanque não transborde ou seque
Malhas de controle de NÍVEL
Muitos problemas de controle e operação de unidades industriais causam
variações ou falhas na estratégia de ajuste das malhas de nível;
Má sintonia dos controles de nível, interação muito grande com as demais malhas da unidade e baixo tempo de residência (Volume disponível / vazão volumétrica de escoamento);
Um controlador PID mal sintonizado gera perdas e ineficiência na produção, uma sintonia correta e otimizada pode reduzir a variabilidade do processo, melhorar a regulação e a qualidade do produto final.
Dispositivos de controle de nível
Medidor de Nível Capacitivo
Utilizam da variação da capacitância obtida entre a sonda do medidor e a parede do vaso, que agem como as placas do capacitor. Um sonda de referência pode ser usada ao invés da parede do vaso, por exemplo, quando as paredes do vaso não são condutoras.
Utilizados em uma grande gama de aplicações:
Medição de líquidos condutivos e não-condutivos, com variadas densidades
Operação em condições de alta temperatura e pressão
Operação em ambientes corrosivos. 
Dispositivos de controle de nível
Medidor de Nível Capacitivo
Não possui partes móveis, porém é de fácil manutenção.
O acúmulo de material na sonda pode acarretar em erros na medição
A grande limitação dos medidores capacitivos se dá ao fato de que a haste da sonda deve se estender até o fundo do tanque, o que inviabiliza seu uso em tanques muito altos. 
Dispositivos de controle de nível
Medidor de Nível Capacitivo
Figura 10 – Medidor de Nível Capacitivo
Dispositivos de controle de nível
Medidor de Nível Ultrasônico
Utilizam ondas acústicas de alta frequência, de 20 a 200 KHz.
Pode ser usada tanto para detecção de nível quanto para medição contínua.
Principais vantagens: 
É um medidor sem contato, podendo ser usado para medir substâncias viscosas (óleos), corrosivas e dejetos; 
Por conter um microprocessador, pode ser um medidor inteligente, com comunicação serial, configuração remota, ajuste de calibração, etc
Fácil instalação e manutenção.
Dispositivos de controle de nível
Medidor de Nível Ultrasônico
Figura 11 – Medidor de Nível Ultrasônico
referências
EBAH. Controle de Processos. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAsxoAI/controle-processos>
MECATRÔNICA ATUAL. Tipos de Malha de Controle de Processos Industriais. Disponível em: <http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/951-tipos-de-malha-de-controle-de-processos-industriais?showall=&limitstart=0>
QUINTANILHA, Igor Macedo; FILHO, Roberto de Moura Estevão. Sensores de Nível. UFRJ, 2013
BOJORGE, Ninoska. Estratégias de Controle Avançado. Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF, 2012