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Introdução ao Controle de Processos
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 1 / 49
Roteiro
1 Incentivos ao Controle de Processos
2 Principais Objetivos Operacionais
Planta Química
Exemplo
3 Objetivos do Sistema de Controle
Suprimir a Influência de Perturbações Externas
Realimentação × Antecipatório
Assegurar a Estabilidade do Processo
Otimizar o Desempenho do Processo
4 Justificativa Econômica para o Controle de Processos
5 Atividades Complementares
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Incentivos
Planta Química
arranjo de unidades processadoras→ reatores, trocadores de calor,
bombas, colunas de destilação, absorvedores, evaporadores, tanques,
etc
Objetivo Global da Planta
converter matéria-prima em produtos desejados da maneira mais
econômica possível
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Incentivos
continuação
Tendências no Projeto da Planta
As plantas estão cada vez mais complexas devido a redução no
consumo de energia, alta flexibilidade, produtos com maior qualidade
e redução de estoques, enquanto continuam sendo mais e mais
conduzidas aos seus limites operacionais.
Operação da Planta
satisfazer as exigências do projeto frente a todo tipo de influências —
erros no modelo, perturbações, mudanças operacionais
Controle de Processo
manter as variáveis do processo (temperaturas, pressões, vazões,
composições, etc) dentro de valores operacionais de projeto
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Objetivos Operacionais
1 Segurança
2 Especificações do Produto
3 Proteção ao Meio Ambiente
4 Restrições Operacionais
5 Econômicas
Sistema de Controle
Atingir os objetivos operacionais com o monitoramento e ação externa
sobre o processo (controle): equipamentos + intervenção humana
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Planta Química e sua Instrumentação
Ó l e o Q u e n t eÓ l e o Q u e n t e
L 2
v 4
Figura: Exemplo de uma planta química
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo
Apresente soluções que atendam aos objetivos operacionais para o
processo flash da figura abaixo.
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): segurança
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Alta pressão no
tambor flash é perigoso.
Solução
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Figura: Controle da pressão no tambor flash: conteúdo de vapor
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): segurança
Alta pressão no tambor flash é perigoso.
Solução
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Figura: Controle da pressão no tambor flash: conteúdo de vapor
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): proteção ao meio ambiente
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Nunca elimine
hidrocarbonetos na atmosfera.
Solução
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Figura: Hidrocarbonetos são queimados na atmosfera
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): proteção ao meio ambiente
Nunca elimine hidrocarbonetos na atmosfera.
Solução
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Figura: Hidrocarbonetos são queimados na atmosfera
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): restrição operacional
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A bomba não
deve operar sem fluxo.
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Figura: Controle do conteúdo de líquido no tambor flash
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): restrição operacional
A bomba não deve operar sem fluxo.
Solução
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Figura: Controle do conteúdo de líquido no tambor flash
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): especificações do produto
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Componente
chave é ajustado pelo aquecimento.
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Figura: Controle da qualidade do componente chave
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): especificações do produto
Componente chave é ajustado pelo aquecimento.
Solução
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Figura: Controle da qualidade do componente chave
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): econômicas
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Mantenha uma
taxa de produção suave.
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Figura: Controle da taxa de produção
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): econômicas
Mantenha uma taxa de produção suave.
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Figura: Controle da taxa de produção
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Atender aos Objetivos Operacionais
Exemplo (continuação): configuração de controle para o tambor flash
O atendimento aos principais objetivos operacionais garantirá uma operação
lucrativa e, principalmente, segura.
Solução
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas
Objetivo mais comum em uma planta química.
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Estudo de Caso
Tanque de Aquecimento com Agitação
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
objetivos do sistema de controle
1 manter T a um valor desejado Ts ("set point")
2 manter h a um valor desejado hs ("set point")
perturbações — causam desvios de T e h em relação a Ts e hs,
respectivamente
1 variações em Fi1 e Fi2
2 variações em Ti1 e Ti2
3 variações em Fst e Tst
compensações das perturbações
1 controle por realimentação ("feedback")
2 controle antecipatório ("feedforward")
3 controle por realimentação + antecipatório
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle por Realimentação Fst → T
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:
medição: sensor ( termopar ) + transdutor/transmissor de
temperatura
comparação: e = Ts − T , Ts(= Tsp) valor de referência ("set
point")
ação:

e > 0→ Fst ↗
e < 0→ Fst ↘
e = 0→ Fst = Fsts
⇒ elemento final (válvula de
controle)
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Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle por Realimentação Fi2→ h
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Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 19 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:
medição: sensor ( célula de pressão diferencial ) + transdutor/transmissor de
nível
comparação: e = hs − h, hs(= hsp) valor de referência ("set
point")
ação:

e > 0→ Fi2↗
e < 0→ Fi2↘
e = 0→ Fi2 = Fi2s
⇒ elemento final (válvula de
controle)
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 20 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Controle Antecipatório Fst → T
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Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 21 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)
Funções da malha de controle:
medição: sensor (termopar) + transdutor/transmissor de
temperatura
comparação: e = Ti1s − Ti1, Ti1s(= Ti1sp) valor de referência
("set point")
ação:

e > 0→ Fst ↗
e < 0→ Fst ↘
e = 0→ Fst = Fsts
⇒ elemento final ( válvula de controle )
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 22 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
"Feedback" × "Feedforward"
Controle por Realimentação × Controle Antecipatório
Controle por Realimentação: atua no processo após a perturbação
afetá-lo.
vantagens
1 compensa para todas as perturbações indistintamente, sem a
necessidade de identificá-las ou medi-las
2 insensível aos erros de modelagem e alterações em parâmetros
desvantagens
1 compensa somente após desvio da variável controlada
2 é insatisfatório para processos lentos e com tempos mortos
3 pode criar instabilidade na resposta da malha fechada
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 23 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
"Feedback" × "Feedforward" (continuação)
Controle por Realimentação × Controle Antecipatório
Controle Antecipatório: atua no processo antes da perturbação
afetá-lo.
vantagens
1 compensa antes da ocorrência de um erro (controle ideal)
2 é bom para processos lentos e com tempos mortos
3 não indroduz instabilidade à resposta da malha fechada
desvantagens
1 requer identificação e medida de todas as possíveis perturbações
(uma malha para cada perturbação)2 não funcionará com a presença de perturbações não medidas
3 sensível a alterações em parâmetros
4 requer um bom conhecimento do comportamento do processo
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 24 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
"Feedback" × "Feedforward" (continuação)
Configuração de Controle do Sistema
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Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 25 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
2. Assegurar a Estabilidade do Processo
Tornar a operação da planta estável.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 26 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Sistema Estável ou Auto-Regulável
x
tt o
após a perturbação, x retorna ao seu valor inicial
não necessita de controle para estabilização
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 27 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Sistema Instável
x
tt o
A
B
C
após a perturbação, x não retorna ao seu valor inicial
necessita de controle para estabilização
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 28 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
Estudo de Caso
CSTR com Reação Irreversível Exotérmica
F i
T i
F T,
F c
Q B
R e f r i g e r a n t e
T c i
C a i
C a
F cT c
A B
Q
T
Q B
Q A
T 1 T 2 T 3
Q A : c a l o r g e r a d o p e l a r e a ç ã o
Q B : c a l o r r e m o v i d o p e l o r e f r i g e r a n t e
Regime Estabelecido
QA = QB→ 3 estados estacionários: P1, P2 e P3
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 29 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)
t
T 3
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T
t
T 3
T 2
T 1
T
t
T 3
T 2
T 1
T
t
T 3
T 2
T 1
P 1 e P 3 : e s t á v e i s P 2 : i n s t á v e l
Por quê operar em P2?
1 P1: baixa conversão (T baixa)
2 P3: insegura, destrói catalisador, degrada B (T alta)
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Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo
Tornar a operação da planta mais produtiva.
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 31 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Estudo de Caso
Otimizar o Desempenho de um Reator em Batelada
reação: A→ B → C (endotérmica)
produto desejado: B
produto indesejado: C
objetivo do sistema de controle: maximizar Φ no intervalo de
tempo 0 a tR
máx
Fstsp
Φ =
∫ tR
0
[(receita de B)− (custo do vapor)]dt − custo de A
Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 32 / 49
Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
ação de controle: Fst é usado exclusivamente para a otimização
do desempenho do reator, pois afeta as taxas das reações
T
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C o n d e n s a d o
V a p o r
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c o n t r o l a d o r
s e t p o i n t
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C To t i m i z a d o rm a x F C B
Figura: Controle otimizante
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t R
m á x
m í n
Figura: Ação de controle
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Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Na Otimização em Tempo Real (RTO), os valores ótimos dos "set
points" são calculados na otimização da operação do processo, sa-
tisfazendo as restrições do sistema.
C o n t r o l e
R e g u l a t ó r i o
( s e g u n d o s -
m i n u t o s )
C o n t r o l e P I D , t é c n i c a s a v a n ç a d a s d e c o n t r o l e ,
m o n i t o r a m e n t o d a p e r f o r m a n c e d a m a l h a d e
c o n t r o l e
S e g u r a n ç a
a m b i e n t a l e d o s
e q u i p a m e n t o s
( < 1 s e g u n d o ) G e r e n c i a m e n t o d o s a l a r m e s ep a r a d a d e e m e r g ê n c i a
M e d i ç ã o e
A t u a ç ã o( < 1 s e g u n d o )
V e r i f i c a ç ã o d o f u n c i o n a m e n t o d o s
s e n s o r e s e a t u a d o r e s
P r o c e s s o
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Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
P l a n e j a m e n t o e
P r o g r a m a ç ã o( d i a s - m e s e s )
P r e v i s ã o , g e r e n c i a m e n t o d a
c a d e i a d e s u p r i m e n t o s , p l a n e j a m e n t o /
p r o g r a m a ç ã o d a s m a t é r i a s - p r i m a s e p r o d u t o
O t i m i z a ç ã o e m
T e m p o R e a l( h o r a s - d i a s )
O t i m i z a ç ã o d a p l a n t a i n t e i r a e d a s 
u n i d a d e s i n d i v i d u a i s , e s t i m a t i v a d e p a r â m e t r o s ,
c o n t r o l e s u p e r v i s ó r i o , r e c o n c i l i a ç ã o d e d a d o s
C o n t r o l e
 M u l t i v a r i á v e l
c o m R e s t r i ç ã o
( m i n u t o s -
h o r a s )
C o n t r o l e m u l t i v a r i á v e l ,
c o n t r o l e p r e d i t i v o c o m m o d e l o
Figura: Níveis hierárquicos no controle e otimização de processos
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Objetivos do Sistema de Controle
3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)
Em plantas grandes, chega-se a obter mais do que US$200 mil de
incremento diário nos ganhos com RTO.
Em algumas vezes, os "set points" ótimos podem mudar diaria-
mente. O custo das fontes de geração de energia, variações na
qualidade e custo das matérias-primas, limites de processamento e
estocagem e demanda do produto são resposáveis pela necessidade
frequente de RTO.
Problemas envolvendo mais do que 100 mil variáveis e restrições
de igualdade e desigualdade são hoje rotineiramente resolvidos com
RTO.
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Justificativa Econômica
Redução na variação da especificação do produto.
t
x s p
x
t
r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l
a n t e s
x
x s p
r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l
d e p o i s
Figura: Redução da variabilidade do produto
benefícios econômicos:
mudança do ponto operacional
aproxima-se da restrição operacional
menor quantidade de produto fora de especificação
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Leitura I
Leitura Complementar
Próxima aula:
apostila do Prof. Wua, capítulos 2, 3 e 4 (volume I).
livro do Stephanopoulosb, capítulos 2, 3 e 4.
livro do Seborg et al.c , capítulo 2.
aKwong, W. H., Introdução ao Controle de Processos Químicos com MATLAB.
Volumes I e II, EdUFSCar, São Carlos, Brasil, 2002.
bStephanopoulos, G., Chemical Process Control. An Introduction to Theory and
Practice. Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA, 1984.
cSeborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Process Dynamics and Control. 1st
Edition, John Wiley, New York, USA, 1989.
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Leitura II
Knegtering, B., Pasmanb, H. J.
Safety of the process industries in the 21st century: A changing
need of process safety management for a changing industry.
Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 162–168,
2009.
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Termopar
Sensor
Elementos dedicados que transformam determinada variável de pro-
cesso em uma grandeza passível de manipulação. Geralmente a va-
riável de interesse é transformada em uma grandeza elétrica.
Transdutor
Sistemas que atuam junto com sensores e constituídos por algum dis-
positivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. O transdutor é na ver-
dade um complemento de um sensor com o objetivo de tornar possível
a medição de determinada grandeza ou mesmo melhorar as condições
de medições de um sensor.
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Termopar
continuação
Um termopar é formado por dois condutores metálicos, de natureza
distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios
são soldados em um extremo chamado de junta quente ou junta de
medição. As outras extremidades dos fios são levadas ao instrumento
de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico
por onde flui a corrente.
Esse outro extremo dos fios que formam o termopar se conecta
ao instrumento de medição, sendo chamado de junta fria ou junta de
referência.
O aquecimento da junta quente gera o aparecimento de uma
f.e.m. Este princípio é conhecido por Efeito Seebeck.
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Termopar
continuação
Figura: Esquema de conecção de um termopar.
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Termopar
continuação
Figura: Termopar industrial com flange.
Volta
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Célula de Pressão Diferencial
Sensor Capacitivo ou Célula Capacitiva é o sensor mais utilizado em
transdutores de pressão. Nele dois diafragmas de medição se movem
com relação a um diafragma fixo. Entre o diafragma fixo e os móveis,
existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico.
Como um capacitor de placas paralelas é constituído por duas pla-
cas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de
pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capa-
citor) tem sua distância em relação ao diafragma fixo modificada. Isso
provoca alteração na capacitância de um circuito de medição, e então
tem-se a medição da pressão.
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Célula de Pressão Diferencial
continuação
Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem
diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida
presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir.
O lado de alta pressão do transdutor de pressão diferencial é ligado
pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é
aberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido é
diretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pela
medida do primeiro.
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Célula de Pressão Diferencial
continuação
Figura: Esquema de uma célula
capacitiva.
Figura: Célula capacitiva.
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Célula de Pressão Diferencial
continuação
Figura: Sensor/transdutor de pressão
diferencial.
Figura: Nível de tanque medido por
pressão diferencial.
Volta
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Válvula de Controle
Qualquer que seja a natureza do sistema de controle utilizado
(pneumático, elétrico, eletrônico ou hidráulico), uma válvula de controle
automática é, na maioria das vezes, o elemento final de controle usado.
Isso porque a forma mais comum de influenciar o comportamento
de processos químicos é modificando as vazões de escoamento das
correntes de processo. Normalmente, uma resistência variável é
colocada da corrente de interesse, a qual influenciará a sua vazão
de escoamento conduzindo o processo a um comportamento desejado.
Em alguns casos a resistência da válvula tem que ser ajustada (uma
pessoa ajusta a sua abertura). Porém em muitos casos a resistência
da válvula é determinada por um controlador automático, com a válvula
projetada a aceitar e executar o sinal emitido pelo controlador.
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Válvula de Controle
continuação
Figura: Esquema de uma válvula
pneumática.
Figura: Válvula pneumática.
Volta
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	Incentivos ao Controle de Processos
	Principais Objetivos Operacionais
	Planta Química
	Exemplo
	Objetivos do Sistema de Controle
	Suprimir a Influência de Perturbações Externas
	Realimentação Antecipatório
	Assegurar a Estabilidade do Processo
	Otimizar o Desempenho do Processo
	Justificativa Econômica para o Controle de Processos
	Atividades Complementares
	Apêndice
	Apêndices
	Termopar
	Célula de Pressão Diferencial
	Válvula de Controle