Instrumentação Ambev-20170914T215237Z-001

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Instrumentação Ambev/09 Valv de Controle-AMBEV.pdf
SENAI 111
Válvulas de Controle
Introdução
Uma válvula de controle é constituída de dois conjuntos principais: corpo e atuador.
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. O
conjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes sub-conjuntos:
a) Corpo;
b) Internos;
c) Castelo;
Como o conjunto do corpo é a parte da válvula que entra em contato direto com o
fluído, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do mesmo.
As válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, assim
podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos:
a) De deslocamento linear
1) Globo Convencional
2) Globo Angular;
3) Diafragma;
4) Bi - partida;
5) Guilhotina.
b) De deslocamento rotativo
1) Borboleta;
2) Esfera;
3) Obturador Excêntrico.
Válvulas de deslocamento linear da haste.
Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula, na qual a peça móvel vedante
descreve, um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante; enquanto que
uma válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedante
descreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante.
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Válvula de controle tipo Globo Convencional
Neste tipo de válvula, o fluído no interior do corpo, passa através de um único orifício,
a figura abaixo mostra varias montagens da denominada válvula globo tipo sede
simples. É fabricada em diâmetros de ½” ate 10” e com conexões das extremidades
rosqueadas (ate 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes de 150, 300, 600, 900 e
1500 lbs.
Válvula globo Convencional tipo sede Simples.
Na figura (a), notamos que o obturador é guiado duplamente, isto é,por cima e por
baixo e ainda um fato muito importante é que para a válvula fechar, o obturador deve
movimentar-se para baixo, ou seja, deve descer.
Tal tipo de montagem é chamada de “desce para fechar” ou “normalmente aberta”.
Por outro lado, na figura (b), vemos a mesma válvula, só que o obturador esta
invertido. Neste caso para a válvula abrir, o obturador tem que descer. Podemos notar
que a única diferença entre essas duas válvulas é a posição de aberta e fechada em
relação ao mesmo movimento do obturador, enquanto que a primeira o obturador ao
descer fecha a válvula, a segunda abre-a em resposta ao mesmo movimento do
obturador. Esta é, portanto, uma válvula “desce para abrir” ou mais conhecida
“normalmente fechada”. Uma é inversa da outra quando ao seu funcionamento.
Na figura (c), vemos uma outra sede simples um pouco diferente das anteriores, o
obturador é guiado apenas superiormente e ao descer a válvula só pode fechar, não
existindo a possibilidade de montagem do obturador em posição invertida ou por baixo.
S
Essa válvula em relação ao movimento do obturador de cima para baixo, só pode
fechar.
O fato de uma válvula ser “Normalmente Aberta” ou “fechada” é um fator muito
importante a ser levado em consideração na escolha da válvula. Isso significa que na
posição de descanso, ou seja, sem força de atuação, a válvula pode ficar
completamente aberta ou completamente fechada. Uma válvula “Normalmente aberta”
ficara totalmente aberta em caso de falta de suprimento de energia para a operação do
atuador, não podendo ser escolhido para aplicações como, por exemplo, alimentação
de uma coluna de destilação fracionaria. Nesse caso a escolha certa seria uma válvula
“Normalmente Fechada”, que ficaria totalmente fechada em caso de alguma falha no
sistema de suprimento de energia.
Contudo podemos atingir um índice de me a de
assentamento do atuador), utilizando a for
metal-borracha, metal-teflon, etc.
Este tipo de construção, muitas vezes aind
seat” é mostrado na figura abaixo.
Um outro fato de muita importância nas vá
fluxo em relação à posição do conjunto ob
O fluido deve sempre entrar na válvula ten
corpo indica o sentido de montagem da vá
aumento da vida útil das gaxetas e proporc
nor vazamento (sem aumenta a forç
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ça de assentamento composto, ou seja,
a designado pelo seu nome em inglês “soft-
lvulas globo sede simples, é a direção do
turador e anel sede.
dendo a abri-la. Uma flecha estampada no
lvula na tubulação. Obtemos com isso um
ionamento de uma operação mais suave,
Detalhe da construção de um
obturador sede simples com
assento tipo composto (“soft seat”)
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existem situações nas quais é imperativo a instalação da válvula sede simples com
fluxo tendendo a fechar a válvula. Um exemplo disto é o caso de alta pressão
diferencial.
Válvula Tipo Angular Sede Simples
Este tipo de válvula apresenta uma configuração especial, como vemos na figura (a),
para determinadas aplicações nas quais haja necessidade de uma autodrenagem
constante do fluido ou em aplicações com fluidos lamacentos.
Válvula globo angular tipo gaiola
Válvula de Controle Tipo Diafragma
Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de
controle, é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e
líquidos com sólidos em suspensão.
Uma válvula de controle tipo diafragma conforme vemos na figura abaixo 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 da
válvula.
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Válvula Tipo Diafragma
A válvula de controle tipo diafragma ou Saunders, assim denominada por se tratar de
uma patente mundial da Saunders (Ingrlaterra).
Vantagens :
- baixo custo;
- total estanqueidade quando fechada já que o assento é composto;
- facilidade de manutenção.
Desvantagens :
- não apresenta uma bom controle de vazão;
- uma alta e não uniforme força de atuação;
- limitada em diâmetros de até 6” para efeito de aplicações em controle
modulado;
- utilização limitada pela temperatura do fluido em função do material do
diafragma, ( neoprene ou teflon).
Uma particularidade muito importante e notável é que , devido à forma interna do seu
corpo, é possível o revestimento interno das paredes do corpo com materiais tais
como, vidro, ebonite, plástico, chumbo ou teflon, o que possibilita o uso deste tipo de
válvula mesmo em corpo de ferro fundido, porém, revestido em aplicações corrosivas.
Válvula de Controle Bi-Partida
Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas,
principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se
necessária uma freqüente inspeção ou substituição dos interno da válvula.
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A válvula de controle de corpo bi-partido conforme vemos pela figura abaixo, foi
desenhada para tais aplicações possibilitando uma fácil manutenção devido á
facilidade de acesso aos internos. Neste tipo de válvula, o anel de sede é preso (ao
contrário da globo convencional onde é rosqueado) entre as duas metades do corpo,
podendo ser facilmente removida.
Válvula Tipo Bi-Partida
Devido a ser uma válvula utilizada em fluidos altamente corrosivos, o material de corpo
é bastante especial e portanto, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe,
soldados ao corpo. Estes flanges podem ser em aço carbono comum mesmo que o
corpo seja de material superior.
O guia do obturador é apenas superior ou superior e no anel sede.
Uma desvantagem deste tipo
de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha
por meio de solda (pois neste caso as metades do corpo não poderiam ser separadas
para a remoção do anel sede), já que em tais aplicações tão corrosivas nas plantas
química, é bastante comum a normalização deste tipo de fixação.
Válvula de Controle Tipo Guilhotina
Trata-se uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose,
porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingido algumas outras aplicações em
indústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimento de água, etc.
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Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluidos
pastosos, tais como massa de papel. É fabricada em diâmetros de 2 até 24” com
conexões sem flanges para ser instalada entre par de flanges da tubulação, Classe
150 lbs. Possui uma concepção simples, sem castelo conforme vemos pela figura
abaixo.
.
Válvula Tipo Guilhotina
Internos das Válvulas
Normalmente costuma-se definir ou representar os internos da válvula de controle
como o coração da mesma.
Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partes
denominadas de internos representam o papel principal da válvula de controle, ou seja,
produzir uma restrição variável à passagem do fluido conforme a necessidade imposta
pela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão que
passa e a abertura da válvula (afastamento do obturador em relação à sede).
Esta tal relação é denominada de característica de vazão da válvula, e podemos por
enquanto defini-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e o
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afastamento do obturador relativo ao anel sede. Este afastamento é uma fração de
deslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total da
válvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador.
Não fosse o bastante isso, as partes internas têm que ainda proporcionar a necessária
estanqueidade da válvula quando totalmente fechada.
O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e que
entram em contato com o fluido de processo. Tal conjunto é formado por: obturador,
anel da sede, guia do obturador, bucha de guia e gaiola (no caso das válvulas tipo
gaiola), conforme vemos pela figura abaixo.
Internos da Válvula Globo: (a) convencional; (b) gaiola
Internos da Válvula Globo Convencional
O obturador é o elemento vedante do conjunto dos internos da válvula (ver figura
abaixo) com formato de disco, ou de contorno caracterizado, que se move linearmente
no interior do corpo, obturando o orifício de passagem, de modo a formar uma restrição
variável ao fluxo.
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Obturadores da Válvula Globo Convencional
O obturador pode produzir uma predeterminante característica de vazão deve possuir
um formato de contorno caracterizado.
 Relação entre formatos do obturador caracteristica de vazão e cursos iguais.
Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste
Nos últimos anos tem-se notado u substancial aumento no uso das válvulas
denominadas de rotativas. Basicamente, estes tipos de válvulas apresentam
SENAI120
vantagens e desvantagens. Nas vantagens podemos considerar baixo peso em
relação aos outros tipos de válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de
fluxo, custo inicial mais baixo, etc. dentre as vantagens citamos a limitação em
diâmetro inferiores a 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas principalmente em
grandes diâmetros.
Válvulas de Controle Tipo Borboleta
É talvez a mais comum das válvulas rotativas utilizadas para controle. A válvula
borboleta, conforme vemos pela figura abaixo consiste de um corpo tipo anel circular,
no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. A
sede nesta válvula é a própria parede interna do corpo.
Sua construção é possível em diâmetros de 2” até 24”, em diâmetros superiores, 30”
até 60” o corpo possui flange conforme a norma AWWA. Admite o fluido em qualquer
direção.
Válvula Tipo Borboleta
Podemos classificar as válvulas borboleta em 2 categorias em função de sua
capacidade de suportar quedas de pressão específicas:
a) linha leve (série 400): - para quedas de pressão inferiores a 150 psi.
b) linha pesada (série 500): - para quedas de pressão superiores a 150 psi.
SEN
O desenho de corpo mais comum é o tipo “wafer”, sendo preso à tubulação entre par
de flanges conforme mostra a figura abaixo. Convenciona-se especificar a válvula
borboleta “wafer” para uma determinada queda máxima de pressão quando totalmente
fechada e a 60° de abertura, posição esta definida como curso máximo para
aplicações em controle modulado.
Quando adequadamente selecionada, a válvula borboleta geralmente em diâmetros de
4” e superior, oferece a vantagem de simplicidade, baixo custo pouco peso, menor
espaço de instalação e razoável característica de vazão.
Para temperaturas e pressões moderadas, a válvula borboleta com corpo internamente
revestido oferece ainda uma vedação estanque.
Montagem da Válvula Borboleta
Tipo “Wafer”
Possuindo um corpo cujo formato lhe possib
com elastômeros, a válvula borboleta encon
mesmo em fluidos corrosivos, tornando-se p
econômica.
álvula
Resistência ao fluxo, na v
AI 121
ilita a utilização de revestimento interno
tra uma ampla faixa de aplicações ,
ara tais aplicações uma solução bastante
borboleta:
(a) quando totalmente aberta;
(b) quando parcialmente aberta.
SENAI122
Em função do tipo de assentamento podemos classificar as válvulas borboleta da
seguinte forma:
a) Válvula borboleta com corpo revestido internamente. Assento tipo composto, ou
seja metal elastômero, conforme mostra a figura abaixo (a);
b) Válvula borboleta com corpo sem revestimento. Assento tipo composto, conforme
mostram as figuras abaixo (b) e (c).
c) Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo metal-metal,
conforme mostra figura abaixo (d).
Tipos de Assentamento das Válvul
.
Tipos de disco na série 400:
(a) convencional; (b) duplo efeito
Válvula de Controle Tipo Esfera
A válvula esfera e constituída por um corpo em cujo int
diâmetro interno da tubulação, que atua como obturado
bastante livre.
V
as Borboleta
erior aloja uma esfera oca, no
r, permitindo uma passagem
álvula borboleta com assento
de encosto
SENAI 123
Devido ao seu sistema de assentamento, proporcione uma vedação estanque,
constituído-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas
condições de desempenho da sua principal função, permite, ainda, uma total
estanqueidade quando totalmente fechada.
Na figura abaixo vemos um corpo típico de uma válvula esfera.
Válvula Tipo Esfera
Válvula de Controle Tipo Obturador Rotativo Excêntrico
Um tipo de válvula introduzido no mercado internacional muito recentemente é a de
obturador excêntrico. Este tipo de válvula é mostrado na figura abaixo.
Idealizada originalmente para, basicamente, qualquer aplicação de processo, tem
mostrado realmente vantagens em apenas alguns processos industriais, tais como
papel e celulose e de forma genérica trata-se de uma válvula recomendada para
aplicações de utilidades ou auxiliar.
Válvula Tipo Obturador Rotativo Excêntrico
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Castelo e partes
 de Válvulas de Controle
Introdução
O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida
para dar acesso
às partes internas das válvulas, é definido como sendo “um conjunto
que inclui, a parte através da qual uma haste do obturador de válvula move-se, e um
meio para produzir selagem contra vazamento através da haste”. Ele proporciona
também um meio para montagem do atuador.
O castelo é, portanto um sub-conjunto do corpo na maioria das válvulas de controle,
embora existam tipos de válvulas como as rotativas (borboleta, esfera e excêntrica), e
a bi-partida nas quais o castelo é parte integral ao corpo, não se constituindo ,portanto,
de parte independente.
Assim sendo, os exemplos de castelos que aqui serão dados servem apenas para
aquelas válvulas nas quais o castelo é uma peça separada.
As válvulas mais utilizadas no controle de processo são: globo sede simples, nas do
tipo diafragma, borboleta e excêntrica, apenas no caso da válvula ser utilizada em
fluídos altamente corrosivos ou perigosos (tóxicos ou inflamáveis), é que se
recomenda a utilização de caixa de gaxetas, para a proteção adicional .
Normalmente o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e para
casos de válvulas globo de pequeno porte, convenciona-se a utilização de castelo
roscado devido ao fator econômico, em aplicações de utilidades gerais como ar, água,
etc, como é caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturizadas.
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Tipos de Castelos usados nas válvulas Globo.
Tipos de Castelos
Os castelos classificam-se em:
a) Castelo Normal (CE-1). Figura anterior (a);
é o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura do
fluído esta entre –18 a 232°C (0 a 450°F). Esta limitação é imposta pelo material da
gaxeta já que a sua localização esta bem próxima do flange superior do corpo e
portanto bem próxima ao fluído.
b) Castelo Longo (CE-1). Figura anterior (b);
é semelhante ao anterior, a menos da sua altura que faz com que faz com que a
caixa de gaxeta fique um pouco mais afastada do fluído. Recomenda-se a
utilização deste tipo de castelo para aplicação com fluído em temperaturas de –45
a –18°C (-50 a 0°F), e 232° a 430°C (450 a 800°F).
c) Castelo Extra-Longo (CE-1). Figura anterior (c);
é fabricado de tubo ou fundido do possuindo uma maior altura que o anterior. É
especificado para aplicações em baixíssimas temperaturas ou criogênicas como –
100 a –45°C (-150° a –50°F) para evitar que o teflon das gaxetas congele.
SENAI126
d) Castelo com Fole de selagem (CE-4). Figura anterior (d).
este tipo de castelo é especificado em casos especiais nos quais seja proibido um
vazamento para o meio ambiente através da gaxeta. Englobam-se neste tipo de
aplicações especiais, caso tais como, fluídos radioativos, tóxicos ou explosivos. Ele
possui no interior um fole metálico de aço inoxidável e soldado de modo a formar
uma câmara de pressurização interna, entre a parte do fole e a superfície de haste.
Este tipo de castelo tem uma limitação de operação de 28kg/cm2 (400 psi) a 232°C
(450°F), embora podemos utiliza-lo para temperatura s superiores desde que, as
pressões sejam inferiores e vice-versa.
Conjunto de Caixa de Gaxetas
O propósito do conjunto da caixa de gaxeta é o de proporcionar uma selagem contra
vazamentos dos fluídos do processo.
O conjunto geral da caixa de gaxetas é formado conforme podemos acompanhar
através da figura abaixo pelos seguintes componentes: flange do preme gaxetas,
preme gaxeta, anéis da gaxeta, retentor de graxa, subconjunto de lubrificação, e meia
de compressão (caso a, gaxeta seja de anéis em “V” de teflon). No caso de gaxeta em
anéis quadrados, como os à base de amianto, a mola não é necessária, sendo a
compressão feita pelo aperto do prensa gaxeta.
Tipos de caixas de gaxetas utilizadas nas válvulas de deslocamento linear da haste.
O sistema de lubrificação externa (utilizando caso o material da gaxeta necessite de
lubrificação) tipo EH-1, especificas-se para válvulas de diâmetro ate 4”, enquanto que o
EH-2 (figura acima (c)) para diâmetros superiores. A válvula de bloqueio produz uma
selagem entre a caixa de gaxetas e o lubrificador evitando assim que o fluído do
processo impossibilite a introdução da graxa lubrificante.
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Gaxetas
As principais características do material utilizado para a gaxeta, devem ser
elasticidade, para facilitar a deformação; produzir o mínimo atrito e deve ser material
adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluído de
processo.
Os principais materiais de gaxeta são: teflon, amianto impregnado e grafite
a) Teflon (TFE) : é o material mais amplamente utilizado devido as suas notáveis
características de mínimo coeficiente de atrito, e de ser praticamente inerte
quimicamente a qualquer fluido. Devido as suas características, a gaxeta de
teflon não requer lubrificação externa e a sua principal limitação é a
temperatura, conforme vemos pela tabela abaixo.
A gaxeta de teflon é formada de anéis em “V” de teflon sólido, e requer uma constante
compressão para o seu posicionamento firme e compacto, provida por meio de uma mola de
compressão.
b) Amianto Impregnado: é ainda um material de gaxeta bastante popular devido
às características do amianto adicionadas as de alguns aditivos e a facilidade
de manutenção e operação. Não sendo autolubrificante, o amianto utiliza-se
impregnado com aditivos tais como teflon, mica, inconel, grafite, etc. os limites
de uso em função da temperatura e fluidos para este tipo de gaxeta são dados
na tabela abaixo.
Este tipo de gaxeta é do tipo quadrada e comprimida por meio do preme gaxeta. Requer
lubrificação externa , com exceção ao amianto impregnado com teflon.
c) Grafite : É um material praticamente inerte quimicamente e suporta, altas
temperaturas (ao ponto de volatização é de 3550°C), é empregado em
condições criticas de processo, apresenta-se na mesma forma do amianto, do
tipo quadrada e comprimida por meio do preme gaxeta, não requer lubrificação
externa, sua principal desvantagem é o preço, mas o custo x benefício da
mesma justifica largamente sua.
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d) Fita de Grafite : Trata-se de material a base de grafite e comercializado em fitas
flexíveis de vários tamanhos.. Seu único inconveniente reside no fato de que
produz um certo travamento da haste, já que por ser fita, ela deve ser enrolada
ao redor da haste e socada para compacta-la formando diversos anéis.
limites de temperatura para os diversos materiais da gaxeta, em função do tipo de
castelo.
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Atuadores para
Válvulas de Controle
O atuador constitui-se no elemento responsável em proporcionar a necessária força
motriz ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de
controle, ele quando corretamente selecionado, deve proporcionar a válvula meios de
operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e
estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de processo.
Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em
aplicações de controle modulado, classifica-se em cinco tipos principais:
1) Pneumático a mola e diafragma;
2) Pneumático a pistão;
3) Elétrico;
4) Elétrico-hidráulico e
5) Hidráulico.
Antes de iniciarmos a analise detalhada dos diversos tipos de atuadores, o atuador
selecionado deve ser compatível com o sinal de saída do controlador. Um exemplo
claro disso, é o caso da instrumentação eletrônica utilizada hoje em dia na maioria dos
sistemas de controle de processo. O sinal de saída do controlador
é normalmente
4~20, sinal este que não é compatível, por exemplo, com os atuadores pneumáticos.
Neste caso será necessário que se converta o sinal elétrico para pneumático, caso
seja utilizado o atuador pneumático , como acontece na grande maioria das
aplicações.
Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma
Este tipo de atuador utiliza um diafragma flexível de neoprene, sobre o qual age uma
pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola. O diafragma é
alojado entre dois tampos, formando duas câmaras, uma das quais totalmente
SENAI130
estanque, por onde entra o sinal d pressão de carga. A força motriz é obtida pelo
produto da pressão de carga vezes área útil do diafragma.
Define-se como pressão de carga ao sinal de ar proveniente do controlador ou do
posicionador da válvula, e que efetivamente trabalha sobre o diafragma do atuador. A
faixa de pressão de carga mais comumente utilizada é de 0~18 psi no caso da
instrumentação pneumática, enquanto que para esse sinal a faixa da mola do atuador
é de 3~15 psi.
O atuador mola e diafragma é disponível em dois tipos: Um deles, denominado de
ação direta empurra a haste para baixo, conforme aumenta a pressão de carga sobre o
diafragma, enquanto que a mola força a haste para cima.
O outro, denominado de ação inversa , com o aumento da pressão de carga, puxa a
haste para cima, enquanto que a mola empurra-a para baixo, de qual a posição de
segurança que o processo exige em caso de falha ou falta de energia de suprimento.
Assim, numa válvula globo convencional com obturador entrando em caso de falha no
sistema de suprimento de ar a válvula abre, enquanto que se caso tivesse sido
utilizado um atuador inverso, a válvula fecharia.
O tamanho do atuador tipo mola e diafragma é definido em função do diâmetro do
diafragma.
Este tipo de atuador é o mais amplamente utilizado para atuar as válvulas de controle,
face a inúmeras vantagens e poucas desvantagens.
Atuadores Pneumáticos Tipo Mola Diafragma
A sua principal desvantagens é a da limitação da força de atuação, pois devido ao
diafragma, os níveis de pressão de carga não podem exceder 50 ou 60 psi, o que de
fato limita a sua aplicação, em determinados tipos de válvulas, que exigem uma
SENAI 131
elevada força de atuação como é o caso das válvula rotativas, ou ainda em casos de
pressões extremamente altas, mesmo se tratando de válvulas de deslocamento linear.
Nesses casos, o atuador pneumático a mola e diafragma deixa de ser uma escolha
conveniente, podendo tornar-se excessivamente onerosa a sua utilização em
tamanhos superdimensionados.
Tamanho dos atuadores pneumáticos tipo mola e diafragma em função do diâmetro da
válvula.
Atuador Pneumático Tipo Pistão
O atuador pneumático tipo pistão, embora não muito utilizado nas válvulas de
deslocamento linear, em relação ao tipo a mola e diafragma, tem apresentado uma
crescente tendência de uso, junto às válvulas tipo rotativas.
Apresenta como principal vantagem, em relação ao anterior, uma capacidade de
operação em níveis superiores de pressão de carga (e portanto, uma produção de
maior força de atuação), uma maior capacidade e ainda uma maior velocidade de
resposta.
Na tabela (Guia para a Seleção de atuadores) relacionando-se as diversas vantagens
e desvantagens deste tipo de atuador.
O atuador pneumático tipo pistão, substitui o uso do diafragma flexível por um pistão
metálico, fato esse que lhe possibilita operar em níveis de pressão de carga
superiores.
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Atuadores Pneumáticos Tipo Pistão
São tres tipo básicos de atuadores à pistão, dependendo do tipo de válvulas que irá
operar :
Figura (a), destina-se a utilização em válvulas de deslocamento linear como a globo;
Figura (b), utilizado para acionar válvulas de deslocamento rotativo, como a borboleta
 e esfera;
Figura (c), atuador pneumático de diafragma rolante, é utilizado apenas nas válvulas
 de obturador rotativo excêntrico.,
Atuador Elétrico
Os atuadores elétricos, consistem de um motor elétrico com um conjunto de
engrenagens, que lhe possibilitam a capacidade de uma elevada faixa de torque de
saída. Este tipo de atuador, oferece amplas vantagens em instalações remotas onde
nenhum outra fonte de suprimento seja disponível.
Atuadores Elétricos
Atuador Pneumático Tipo Diafragma
Rolante
(c)
I
SENAI 133
O atuador elétrico tanto pode ser utilizado para acionar válvulas de deslocamento
linear quanto rotativas.
As suas principais desvantagens residem no seu custo excessivo, lenta resposta e na
falta de posição de segurança em caso de falha de energia de suprimento.
Na tabela (Guia para a seleção do atuador) relacionam-se as diversas vantagens de
desvantagens deste tipo de atuador.
Atuador Eletro-Hidráulico
Este tipo de atuador consiste de um atuador elétrico, no qual uma bomba manda óleo
a altas pressões para um pistão o qual produz um força de atuação de altíssimo valor.
Este tipo de atuador pode ser operado com sinais elétricos de baixo nível, como os de
saída dos instrumentos eletrônicos, ou seja, da ordem de 24 à 65 Volts DC e 1 – 5, 4 –
20 ou 10 – 50mA.
Na figura abaixo (Esquema de um atuador eletro-hidráulico) vemos esquematicamente
o desenho deste tipo de atuador, no qual uma bobina é sensibilizada quando sujeita a
um sinal de corrente, produzindo um campo magnético, o que faz deslocar uma
palheta, obstruindo mais ou menos um bocal, através do qual escoa o óleo a uma alta
pressão, indo para o pistão onde se produz uma elevada força de atuação que irá
movimentar a válvula de controle.
Esquema de um Atuador Eletro-hidráulico
SENAI134
Desvantagens:
Custo alto
Requer uma fonte de pressão constante o que significa alimentação elétrica constante
para bombear o óleo para o pistão.
Não possui posição de segurança inerente, em caso de falha de energia.
Atuador Hidráulico
Os atuadores hidráulicos, assemelham-se bastante aos eletro-hidráulico e como esses
devem ser especificados somente em casos de altíssimas forças de atuação de forma
a impossibilitar a utilização de outros tipos de atuadores. No atuador hidráulico, uma
central hidráulica bombeia fluído hidráulico ao pistão a uma pressão considerável alta
produzindo-se elevadíssima forças de atuação.
Posição de Segurança por Falha
Define-se como posição de segurança por falha da energia de suprimento, à posição
que a válvula deve assumir em caso de falha.
A falha tanto pode ser motivada por falha mecânica do atuador, como falha no sistema
de distribuição de energia de suprimento.
 As posições de segurança possíveis da válvula são : fechadas e abertas.
A devida escolha de uma delas deve ser baseada em considerações de segurança do
processo industrial. Cabe ao usuário escolher corretamente qual a posição de
segurança da válvula.
Posições de Segurança por Falha em Função Diversas Combinações entre Atuador e
Obturador
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1) - Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma
Vantagens Desvantagens
Baixo Custo;
Simplicidade;
Posição de Segurança por falha é inerente;
Necessidade de baixa pressão de ar de suprimento;
Ajustabilidade;
Facilidade de manutenção;
Capacidade de operação sem a necessidade do uso de
posicionador;
Resposta Rápida;
Seguro em aplicações eletricamente perigosas.
Torques limitados;
Limitação quanto a temperatura;
Inflexibilidade para alterações das condições de serviço.
2) – Atuador Pneumático Tipo Cilindro
ou Pistão
Vantagens Desvantagens
Capacidade de Torque elevado;
Compacticidade;
Menor Peso;
Adaptabilidade à altas temperaturas do meio ambiente;
Adaptabilidade à variações dos requisitos de torque da
válvula;
Resposta rápida;
Seguro em aplicações eletricamente perigosas.
Posição de segurança por falha, requer acessórios
opcionais;
Necessidade do uso do posicionador para aplicações em
controle modulado,
Maior custo que o atuador pneumático à mola e diafragma;
Necessidade de alta pressão de ar de suprimento.
3) – Motor Elétrico
Vantagens Desvantagens
Compacticidade;
Aptidão para aplicações remotas.
Alto Custo;
Falta de Posição por falha;
Habilidade limitada para sistemas de controle modulado;
Resposta lenta;
Falta de ajustabilidade.
4) – Atuador Eletro-Hidráulico / Hidráulico
Vantagens Desvantagens
Capacidade para altíssimo torque;
Ótima rigidez construtiva;]
Excelente estabilidade dinâmica contra forças do fluído;
Resposta rápida.
Alto Custo;
Complexidade;
Grande Peso e tamanho;
Posição de segurança por falha requer acessórios
opcionais.
Tabela – Guia para seleção do atuador.
SENAI136
Forças que Agem Numa Válvula de Controle
Um atuador que tenha sido adequadamente calculado, deve possuir força suficiente
para vencer todas as forças produzidas pelo fluxo, deslocar o obturador e ainda dispor
de um excesso de força necessária para assentamento do obturador quando este tiver
que permanecer fechando a passagem do fluxo através da válvula.
As forças que agem no corpo da válvula são:
a) Força de desequilíbrio estático da haste do obturador;
b) Força de desequilíbrio estático do obturador;
c) Força de desequilíbrio dinâmico do obturador;
Força diversas, tais como inércia do obturador, atrito nas gaxetas, etc.
137
Acessórios de uma Válvula
de Controle
Introdução
Como acessórios podemos definir determinados dispositivos que se utilizam na
válvula, para obter determinadas adaptações com o sistema de controle ou
sofisticações quanto à operação da controlabilidade.
Os principais tipos de acessórios utilizados são os posicionadores, válvulas solenóides,
reguladores de ar, transdutores eletropneumáticos, volantes auxiliares manuais, etc.
Dentre todos, é sem dúvida alguma o posicionador o mais comumente utilizado, sendo
que em alguns tipos de válvulas, realmente deixa de ser considerado como acessório,
passando a ser parte integrante da própria válvula. O posicionador pode ser
pneumático ou eletropneumático.
Posicionador Pneumático
Define-se como posicionador a
um dispositivo que transmite a
pressão de carga ao atuador,
permitindo posicionar a haste da
válvula no valor exato
determinado pelo sinal de
controle.
Posicionador Pneumático Montado Numa
Válvula de Controle tipo Globo.
138
Certos sistemas lentos necessitam do uso de posicionadores nas válvulas. Tais
sistemas seriam o controle da temperatura, controle de nível líquido, controle de vazão
de gás e mistura. Em outros sistemas mais rápidos, tais como o controle de pressão de
um líquido ou de vazão de líquido, um “booster” amplificador é normalmente utilizado
com sensíveis vantagens.
Esquema de uma válvula operando: (a) sem posicionador e (b) com posicionador.
Princípio de Funcionamento do Posicionador Pneumático
Na figura vemos uma válvula que é operada diretamente por um controlador.
139
O sinal de saída típico de um controlador pneumático varia de um mínimo de 0 psi até
um máximo de 20 psi. A faixa de mola mais comum nas válvulas opera de 3 a 15 psi.
São necessários portanto 15 psi para comprimir a mola da válvula. A pressão de ar
excedente a esses 15 psi é utilizada para fechar a válvula contra a pressão do fluído à
montante.
Na segunda figura vemos esquematicamente a mesma válvula, porém operada
diretamente por um posicionador, intercalado entre o controlador e a válvula. O sinal de
saída do controlador, neste caso, vai para a entrada do posicionador ao invés de ir
para a válvula. O posicionador então compara o sinal que recebe do controlador com a
posição da haste da válvula através do seu braço de realimentação. Se a haste não
está corretamente posicionada , então ele manda para o atuador mais ar (ou retira
mais ar) até que acuse a correta posição da haste.
Aplicações Recomendadas da Utilização do Posicionador
a) Para compensar a força gerada pelo atrito: nas aplicações em processos de alta
pressão ou aplicações outras, onde a gaxeta esteja bastante apertada, para evitar
vazamentos, há o surgimento de um atrito considerável contra a haste, produzindo-se
uma histerese e tempo morto maior que o limite normalmente aceito.
b) Para aumentar a força de assentamento nas válvulas tipo sede simples.
c) Para operar atuadores pneumáticos tipo sem mola: a figura abaixo mostra um
controlador operando uma válvula de controle pneumático com atuador tipo sem mola,
como seria, por exemplo, o atuador pneumático tipo pistão.
140
Válvula de Controle com atuador Pneumático sem mola e sem posicionador, para
aplicações de controle biestável.
d) Para permitir uma operação de faixa dividida (“split range”): às vezes é desejável
operar uma válvula de controle utilizando-se apenas de uma parte da faixa do sinal de
saída do controlador. Isto pode ser realizado se especificarmos um posicionador para
esta utilização particular. Um arranjo comum é o de ter uma válvula e um posicionador
operando sobre 3 a 9 psi de sinal de saída do controlador, enquanto que outra válvula
e posicionador operam sobre 9 a 15 psi de saída do mesmo controlador.
e) Para inverter a ação da válvula: um posicionador cuja pressão de ar de saída
aumenta conforme aumenta o sinal de entrada é denominado de posicionador de ação
direta. Um posicionador cujo o sinal de saída, diminui conforme aumenta o sinal de
entrada, é denominado de posicionador de ação inversa. A mudança da ação do
posicionador é facilmente realizada no próprio campo.
f) Para modificar a característica de vazão da válvula: a maioria dos posicionadores
são lineares, isto é, eles mudam a posição da haste da válvula linearmente em relação
à pressão de saída do controlador.
g) Para aplicações de banda larga proporcional: quando a válvula deve responder a
variações muito pequenas na pressão de ar (menos do que 0,25 psi), é recomendada
a utilização de um posicionador.
h) Natureza do meio fluído: se o fluído do processo tende a grudar ou aglomerar-se
nas partes das válvulas, provocando um aumento do atrito entre as partes móveis o
uso do posicionador é recomendado para proporcionar força adicional necessária para
vencer esses atritos.
141
Podemos concluir, do acima exposto que, basicamente, a utilização de um
posicionador acoplado à válvula de controle nos assegura que a posição do obturador
da válvula seja sempre proporcional ao valor de pressão de saída do controlador,
independente das forças de atrito na gaxeta, histerese do atuador a diafragma ou
forças de desequilíbrio do fluído sobre o obturador da válvula.
Posicionador Eletropneumático
De função similar ao posicionador pneumático, este posicionador diferencia-se do
anterior pelo fato de aceitar um sistema de entrada elétrico, normalmente analógico.
Limitações do uso do posicionador
Recentes estudos e pesquisas têm indicado que, o uso de um posicionador pode
prejudicar a qualidade do controle em processos rápidos, tais como: pressão e vazão
de líquidos. Onde, necessita-se,
por exemplo, de maiores pressões de ar, para efeito
de fechamento da válvula ou de maior rapidez de operação, está recomendando-se a
utilização do “booster” no lugar do posicionador.
Para processos lentos, como a maioria dos sistemas térmicos, nível de líquidos e
alguns processos de pressão de grande volume de gás, o posicionador deve melhorar
a qualidade do controle.
“Boosters” Pneumáticos de Volume e de Pressão
Não muito conhecidos e utilizados os “boosters” tem aumentado consideravelmente a
sua utilização. Existem dois tipos de “boosters”: de volume e de pressão.
“Boosters” de Volume
Este tipo de “boosters”, pode ser utilizado para aumentar a velocidade da operação de
uma válvula de controle, conforme o esquema abaixo:
142
“Booster” Pneumático
Esquema da utilização de um “booster” de volume numa malha de controle
O controlador aplica seu sinal de saída, diretamente ao “boosters”, no qual,
aproximadamente 1 pé cúbico de ar é necessário para posicionar o seu piloto. Desta
forma, o volume de ar que se desloca entre o controlador e o “booster” é muito
pequeno. O ar que opera a válvula de controle vêm através do “booster” e desde que
esse piloto possua uma grande capacidade de passagem (da ordem de 35 SCFM), o
tempo para cursar totalmente a válvula de controle é substancialmente reduzido.
Se utilizarmos uma válvula redutora de pressão na linha de alimentação de ar para o
“boosters” esta terá que ser do tipo de alta capacidade, afim de não limitar a
capacidade de saída do “booster”.
“Boosters de Pressão”
Os “boosters” de pressão geralmente são também de volume, entretanto, a sua
principal função é a de aumentar a pressão vinda do controlador. Na figura abaixo
143
vemos esquematicamente uma válvula de controle sede simples (ar para abrir), com
faixa de mola 6 a 30 psi.
A mola mais forte é para obtermos um fechamento de válvula contra uma alta pressão
à montante. Contudo, a saída normal do controlador (máximo 20 psi) não é suficiente
para abrir a válvula. Um “booster” de pressão com relação de multiplicação de 2:1
resolve esse problema, tornando o sistema operacional.
O “booster” é preferível ao posicionador, devido ao seu menor custo. Ainda, o “booster”
não fecha o circuito ao redor da válvula, fato este que, pode proporcionar maior
estabilidade em sistemas de resposta rápida.
Esquema da utilização de um “booster” de pressão numa malha de controle.
Válvulas Solenóides
A sua utilização principal é em aplicações de controle biestável, pilotando uma válvula
de controle pneumático, conforme figura abaixo:
144
Esquema da utilização da Válvula Solenóide de 3 vias para atuar numa Válvula de
Controle pneumática, em controle biestável.
A válvula solenóide também pode ser instalada em aplicações de controle modulado,
para serviço de emergência como podemos acompanhar pela figura abaixo.
Esquema da utilização da Válvula Solenóide de 3 vias, numa aplicação de emergência,
em controle modulado.
Neste tipo de aplicação, uma válvula solenóide de 3 vias é instalada entre o
controlador (ou posicionador) e a válvula de controle, de forma que normalmente, a
saída de escape esteja fechada (isto é, estando válvula solenóide desenergizada, a
passagem de ar é direta para a válvula de controle). Em casos de necessidade de
bloquear a válvula de controle, por medida de segurança, um sinal elétrico pode ser
145
acionado remotamente, energizando instantaneamente a válvula solenóide e abrindo o
escape. Fica assim, a válvula de controle sem ar de atuação e devido à força da mola,
fecha ou abre rapidamente.
Chaves Indicadoras de Posição
São utilizadas para indicação remota da posição da haste da válvula. Essa indicação
fornecida pela chave indicadora é do tipo de duas posições, ou seja, possibilita a
indicação, por exemplo, de válvula fechada e de válvula aberta. São montadas
diretamente na torre do atuador (caso seja atuador do tipo de deslocamento linear) ou
no adaptador (caso seja atuador tipo rotativo).
Transmissor de Posição
O transmissor pneumático de posição é um dispositivo para indicação contínua da
posição da haste da válvula. É geralmente instalado sobre a torre do atuador, de forma
similar ao posicionador. Na realidade o transmissor de posição é uma adaptação do
posicionador. Através do braço de realimentação, ele sente a posição da haste da
válvula e transmite um sinal pneumático proporcional de 3 a 15 psi a um indicador em
lugar remoto.
Transdutores Eletropneumáticos
Estes dispositivos convertem o sinal elétrico da saída de um controlador eletrônico em
sinal pneumático compatível com o atuador pneumático da válvula de controle. Estes
transdutores tanto podem ser corrente para pressão (I/P) ou tensão para pressão
(E/P).
O sinal de entrada de corrente é aplicado a um eletroímã. O campo magnético criado e
a corrente produzem uma força que desloca a palheta alterando a posição relativa
entre a palheta e o bocal. Isso faz aumentar ou diminuir a pressão no bocal,
aumentando ou diminuindo o sinal de pressão para a válvula de controle.
Conjunto Filtro - Regulador de Ar
Talvez um dos acessórios mais comuns seja o filtro – regulador de ar, que é uma
válvula reguladora de pressão de ar, do tipo auto-operada, de pequenas dimensões e
alta capacidade, com filtro de ar integral.
A sua máxima capacidade de ar é ao redor de 20 SCFM. A sua função é a de fornecer
ar limpo, à uma pressão constante compatível com os limites de alimentação dos
posicionadores, “boosters”, etc.
146
Conjunto filtro e regulador de ar de instrumentação
Volantes Manuais
Trata-se de um acessório amplamente utilizado na linha de válvulas de deslocamento
linear da haste. Na maioria das válvulas rotativas, o volante já faz parte da válvula, não
sendo considerado como acessório adicional propriamente dito. O volante manual é
utilizado para possibilitar uma operação manual da válvula de controle, no caso de falta
de ar.
Existem dois tipos de volantes, conforme a sua instalação na válvula: de topo e de
lateral.
Um volante manual tipo montagem lateral é adaptado a torre do atuador, agindo
diretamente sobre a haste da válvula. Costuma-se normalmente utilizar este tipo de
montagem nas válvulas de grande diâmetro, em função da sua altura, o que tornaria
bastante difícil à operação manual, caso a válvula tivesse volante de montagem tipo de
topo.
147
 
Volante Manual de Topo Volante Manual Lateral
Instrumentação Ambev/instrumenta‡Æo capa.pdf
Instrumentação
Instrumentação Ambev/11 Referˆncias Bibliogr ficas-AMBEV.pdf
Instrumentação
SENAI168
Referências Bibliográficas
SENAI, Antônio Souza Noschese. Instrumentação Básica - C Especial. Santos, SP
SENAI, Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini – Instrumentação. Campinas, SP
METROVAL. Medidores Mássicos Coriolis. Nova Odessa, SP
Instrumentação Ambev/10 Controle Automatico-AMBEV.pdf
Instrumentação
Controle Automático de Processo148
Controle Automático
Noções Básicas do Controle Automático
Princípios Básicos do Controle Automático
Controle Manual
A figura mostra o processo típico sob controle de um humano. O serviço do operador é
sentir a temperatura da água quente de saída e girar o volante da válvula de maneira a
manter a temperatura da água no valor desejado. Supondo-se que o processo esteja
equilibrado e que a temperatura da saída da água esteja no valor desejado, o que
acontecerá a este sistema manual se
houver um aumento da vazão da água?
Processo de troca de calor em controle manual.
O sistema de controle e o processo juntos formam uma malha de controle fechada
(representada pela linha tracejada) Devido aos atrasos de tempo do processo, um
certo lapso de tempo vai se passar antes que a água mais fria atinja a mão esquerda
do operador. Quando o operador sente esta queda da temperatura, ele deve compara-
la com a temperatura que deseja, a seguir computar mentalmente quanto a qual
Instrumentação
Controle Automático de Processo 149
direção à válvula deve ser reposicionada e, manualmente, efetuar esta correção na
abertura da válvula.
É necessário um certo tempo, naturalmente, para tomar esta decisão e corrigir a
posição da válvula. Um certo tempo vai se passar também para que o efeito na
correção da válvula sobre a temperatura de saída de água chegue até a saída e possa
ser sentida pelo operador.
É só neste momento que o operador será capaz de saber se a primeira correção foi
excessivamente pequena ou grande. Neste momento, ele faz então uma segunda
correção que, depois de algum tempo, proporcionará uma outra mudança na
temperatura de saída. O resultado desta segunda correção será observado e uma
terceira correção será feita, e assim por diante.
Esta série de ações de medição, comparação, computação e correção irá ocorrer
continuamente através do operador e do processo em uma cadeira fechada de ações,
até que a temperatura seja finalmente equilibrada no valor desejado pelo operador.
Este tipo de controle é chamado malha de controle fechada ou cadeia de controle
fechada.
O circulo tracejado na figura da pagina anterior mostra a direção e o caminho desta
série fechada de ações de controle. Este conceito de malha fechada é fundamental
para a compreensão de controle automático.
Controle em Malha Fechada
A correção a um distúrbio não pode ser feita antes que o efeito do distúrbio seja
conhecido. Mas os atrasos de tempo do processo retardam o conhecimento do efeito
do distúrbio. Por outra, é necessário um certo tempo para avaliar o desvio e fazer a
correção. Depois ainda mais tempo será necessário, devido aos atrasos de tempo,
para que o efeito da correção seja conhecido. Assim sendo, a variável controlada
continua a desviar do valor desejado durante um certo tempo. Em resumo, o problema
de controle é sobrepujar o efeito dos atrasos de tempo que ocorrem ao longo da malha
fechada de controle.
A figura da próxima pagina mostra as curvas de tempo de reação do processo
monocapacitivo. A cura “a” mostra a temperatura da água quente; a curva “b” mostra
as aberturas da válvula de vapor. Deve ser salientado que o processo não está em
controle automático.
Instrumentação
Controle Automático de Processo150
No tempo zero, ocorre uma mudança de carga de demanda, causada pelo aumento da
vazão de água quente. A curva “a” mostra como reage a temperatura. No tempo 2 a
curva “b” (linha cheia) mostra uma correção exata de alimentação feita pela válvula de
vapor.
A curva “a” mostra como a temperatura volta ao seu valor inicial depois de um certo
tempo. Mas a correção exata não foi aplicada no instante da aplicação da mudança de
carga, a temperatura desviou muito do valor desejado. Em qualquer processo
possuidor de atrasos de tempo, as correções exatas não podem ser aplicadas
simultaneamente com as mudanças de carga de demanda devido ao fato que os
atrasos de tempo impedem o conhecimento do efeito do distúrbio por algum tempo.
Uma vez que todos os processos têm atrasos de tempo, de maior ou menor
importância, esta situação é típica do problema geral do controle automático.
Excesso de Correção
No exemplo da figura, se a válvula de vapor tivesse sido completamente aberta no
tempo 2, o vapor teria sido alimentado em grande excesso comparado com a correção
exata e a temperatura teria voltado ao seu valor inicial muito mais rapidamente. A
curva tracejada Y mostra como um excesso de correção é aplicado no tempo 2
reduzido a correção exata no momento que a temperatura retomou ao seu valor inicial.
A curva tracejada mostra que este excesso de correção faz voltar a temperatura ao
seu valor inicial de um tempo T mais cedo comparado com o efeito da correção exata
apenas.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 151
Assim sendo, um excesso de correção aplicado e retirado corretamente faz voltar a
variável ao seu desejado mais rapidamente que a correção exata somente teria feito.
A energia que foi fornecida em excesso é representada pela área hachurada em baixo
da curva Y. Conclui-se que um controlador capaz de fornecer uma curva de reação
parecida com a curva X é melhor do que produz a curva “a”.
Assim a função desejável do controlador é de aplicar correções excessivas tão
grandes quanto o processo permitir e reduzi-las ao seu valor no tempo correto.
Este excesso de correção permite ao controlador recuperar parcialmente as perdas de
tempo devido aos atrasos ao longo da malha de controle. Em outras palavras, os
excessos de correção fornecem uma solução parcial básico do controle.
Os excessos de correção não podem ser aplicados em processos de capacitâncias
muito pequenas, como no caso da maioria dos problemas de controle de relação de
vazão.
Funções Básicas do Controle
No processo controlado manualmente da 1a. figura, o operador mede a temperatura,
compara-a com o seu valor desejado, computa o quanto deve ser aberta a válvula de
vapor. Assim, as funções básicas efetuadas pelo operador manual são:
a. Medição
b. Comparação
c. Computação
d. Correção
Estes são, então, as funções básicas do controle a serem efetuadas por qualquer
sistema de controle automático para ser comparável a função do operador humano.
Elementos do Controle Automático
Os elementos funcionais de um sistema de controle automático e seu posicionamento
com relação a malha de controle fechada são mostrados na figura abaixo. A
comparação da figura abaixo com a 1a.figura mostra que o controle automático efetua
as mesmas funções básicas, na mesma ordem, que faz o operador humano de um
processo.
Os elementos de medição efetuam a função de medição; sentem e avaliam uma
variável de saída com seu valor desejado é feita pelo detector de erro, que produz um
Instrumentação
Controle Automático de Processo152
sinal quando existe um desvio entre o valor medido e o desejado. Este sinal tem uma
certa relação com o desvio que é a chamada função de computação.
Relação das quatro funções básicas de controle e dos elementos básicos de um
sistema de controle automático.
A função de correção de uma entrada para o processo é feita pelo elemento final de
controle que é atuado por um servomotor a partir do sinal de erro.
O sistema de controle é então um equipamento sensível ao desvio e auto-corretor. Ele
toma um sinal na saída de um processo e realimenta na entrada do processo. Então, o
controle em malha fechada normalmente chamado controle a realimentação
(Feedback).
Atrasos de Tempo no Sistema de Controle
Os sistemas de controle automático têm atrasos de tempo que podem influir
seriamente no desempenho das malhas de controle. Os mesmos tipos de atrasos,
atrasos RC e o Tempo morto, que são encontrados nos processos, também existem
nos sistemas de controle.
Além disso os atrasos encontrados nos controladores são causados pelas mesmas
propriedades: capacitância, resistência e tempo de transporte.
Ações de Controle
Controle Automático Descontínuo
Os sistemas de controle automático
descontínuos apresentam um sinal de controle
que normalmente assume apenas dois valores distintos. Eventualmente, este sinal
poderá ser escalonado em outros valores.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 153
Podemos dispor dos seguintes tipos de sistemas de controle descontínuos:
• de duas posições (com ou sem histerese);
• por largura de pulsos;
• de três posições.
Sistema de Controle Descontínuo de Duas Posições
Num sistema de controle descontínuo de duas posições, o controlador apresenta
apenas dois níveis de saída: alto e baixo (on/off).
Controle Descontínuo de Duas Posições sem Histerese
O sistema mostrado abaixo, exemplifica um controle de duas posições sem histerese.
D - VÁLVULA COM SERVOMOTOR ELÉTRICO (SOLENÓIDE)
A - RESERVATÓRIO AQUECIDO A VAPOR
B - TOMADA DE IMPULSO DE TEMPERATURA (TERMOPAR)
C - CONTROLADOR E INDICADOR DE TEMPERATURA
1 - ENTRADA DE VAPOR (GRANDEZA REGULADORA)
2 - SAÍDA DO LÍQUIDO AQUECIDO (GRANDEZA REGULADA)
3 - SAÍDA DO VAPOR
4 - ENTRADA DO LÍQUIDO A SER AQUECIDO
5 - SERPENTINA DE AQUECIMENTO
TIC
A CD
5
B
1 2
3
4
O elemento controlador tem como função comparar o valor medido pelo transmissor
de temperatura com o valor desejado e, se houver diferença, enviar um sinal ao
elemento final de controle (abrir ou fechar a válvula), no sentido de diminuir o erro.
100
50
0
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
FECHADA
ABERTA
VALOR
DESEJADO
(SET POINT)
V
Á
L
V
U
L
A
Instrumentação
Controle Automático de Processo154
Controle Descontínuo de Duas Posições com Histerese
O sistema a seguir mostra um controle descontínuo de duas posições com histerese.
RESERVATÓRIO
DE AR COMPRIMIDO
PRESSOSTATO
REGISTRADOR
SOLENÓIDE
O reservatório é alimentado com ar comprimido cuja pressão é constante e igual a 1.2
Kgf/cm2. A descarga contínua do reservatório pode ser modificada por meio da válvula
de descarga, de modo a poder simular as variações de descarga do processo. O
elemento de controle (pressostato diferencial), controla uma válvula colocada em série
na entrada do reservatório. Um registrador, cujo gráfico avança com uma velocidade
de 1mm/s, permite registrar as variações da pressão em função do tempo.
O próximo gráfico mostra as variações de pressão ao longo do tempo (A) e o
acionamento da válvula na mesma base de tempo (B).
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
VÁLVULA
ABERTA
FECHADA
kgf/cm 2
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
A
Pf
Pa
Pf
B
Analisando os gráficos A e B, nota-se que nos tempos 1, 2 e 3 (0 a 2,95 min). O
Instrumentação
Controle Automático de Processo 155
pressostato acionou o fechamento da válvula quando a pressão era 0,8 Kgf/cm2 e
abertura da mesma quando a pressão for inferior a 0,5 Kgf/cm2.
A diferença existente entre a pressão necessária para a abertura (Pa) e a pressão para
fechamento (Pf) é chamada zona diferencial ou diferencial de pressão.
Observa-se também que nos tempos 1', 2' e 3' (2,95 a 5,00 min), o diferencial de
pressão é de apenas 0,1 Kgf/cm2.
O diferencial (Pf - Pa), representa a zona dentro da qual o elemento controlador, no
caso o pressostato, não intervém.
Sistema de Controle Descontínuo Por Largura de Pulsos
Num sistema de controle descontínuo por largura de pulso, o controlador apresenta
dois níveis de saída: alto e baixo (on/off) ou ativado e desativado. O tempo de
permanência em nível ativada ou desativada depende da amplitude do erro. O período
do sinal de saída do controlador é constante, veja na figura abaixo.
t
t
ERRO
50%
50%
0%
ELEMENTO FINAL DE
CONTROLE
100%
Sistema de Controle Descontínuo de Três Posições
Num sistema de controle descontínuo de três posições, o controlador pode fornecer
um sinal de saída em três níveis (0, 50 e 100%), definidos em função do comprimento
100
50
0
S
A
ÍD
A
 D
O
C
O
N
T
R
O
LA
D
O
R
(%
)
E2 0 E1
SINAL DE ERRO
(%)
da variável controlada dentro da zona diferencial.
Instrumentação
Controle Automático de Processo156
Os gráficos abaixo, demonstram o comportamento dinâmico da variável controlada e
do sinal de saída do controlador, para um caso hipotético.
E2
0
E1
100
50
0
S
A
ÍD
A
 D
O
C
O
N
T
R
O
L
A
D
O
R
(%
)
ZONA DIFERENCIAL
ATRASO
E
R
R
O
Ep(%)
E1 = Erro máximo positivo
E2 = Erro máximo negativo
No controle mostrado pelo gráfico acima foram definidas as seguintes condições:
Saída do controlador = 100% quando Ep > E1
Saída do controlador = 50% quando E2 < Ep < E1
Saída do controlador = 0% quando Ep < E2
Controle Automático Contínuo
O sistema de controle automático contínuo tem como característica um controlador
cuja saída varia continuamente, isto é, podendo assumir qualquer valor compreendido
entre os limites máximo e mínimo.
TIC
A DD
5
B
1 2
3
4
TT
C
Na figura acima é visto um sistema de controle contínuo.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 157
Naturalmente os controladores e os elementos finais de controle contínuo diferem dos
de um controle descontínuo. Nos sistemas de controle descontínuo, a variável
controlada varia em torno desejado, com oscilações cujas amplitude e frequência
dependem das características do processo e do próprio sistema de controle.
Nos sistemas de controle contínuo, a variável controlada não oscila, mas se mantem
constante no set-point.
Característica de um Controlador Contínuo
Basicamente um controlador contínuo é composto por um conjunto de blocos
conforme mostrado na figura abaixo.
COMPARADOR
TRATAMENTO
DO
OFF SET
SINAL DE ERRO
OFF SET
SINAL DE
CORREÇÃO
VP
SP
Onde:
COMPARADOR = Tem como função gerar um sinal de erro proporcional a diferença
instantânea entre a variável e set-point.
TRATAMENTO = Tem como a função processar o sinal de erro (off-set).
DO OFF-SET gerando um sinal de correção.
Dependendo da forma como o sinal de erro (off-set) é processado, podemos dispor de
um sistema de controle contínuo subdividido em:
• Controle Proporcional
• Controle Proporcional + Integral
• Controle Proporcional + Derivativo
• Controle Combinado
Controle Proporcional
O modo de controle proporcional pode ser considerado como uma evolução do modo
de controle de duas posições.
A saída de um controlador proporcional pode assumir qualquer valor desde que
compreendido entre os limites de saída máxima e mínima, em função do erro (off-set)
verificado.
A ação proporcional apresenta uma relação matemática proporcional entre o sinal de
saída do controlador e o erro (off-set). Portanto, para cada valor de erro, temos um
Instrumentação
Controle Automático de Processo158
único valor de saída em correspondência figura abaixo.
TEMPO
V
A
R
IÁ
V
E
L
 D
E
 P
R
O
C
E
S
S
O
Na figura abaixo, é mostrado um diagrama de blocos de um controlador proporcional:
BLOCO
GERADOR DE
OFF SET SOMADOR
AMPLIFICADOR
OFF SET
AÇÃO
PROPORCIONAL
POLARIZAÇÃO
SAÍDA
VP
SP
Matematicamente, pode-se expressar a ação proporcional, como:
S = Po ± (G x E)
onde:
S = Sinal de
saída
Po = Polarização do Controlador, isto é, sinal de saída para erro nulo
G = Ganho, isto é, constante de proporcionalidade entre o erro e o sinal de saída
E = Off-set (erro), isto é, diferença entre a variável controlada e o set-point
Banda Proporcional
A faixa de erro (como no gráfico anterior a faixa A ou B), responsável pela variação de
0 a 100% do sinal de saída do controlador, é chamada BANDA PROPORCIONAL
(BP).
Pode-se definir também como sendo o quanto (%) deve variar o off-set (erro), para se
ter uma variação total (100%) da saída.
A relação existente entre ganho e banda proporcional é:
BP = 100
 G
Instrumentação
Controle Automático de Processo 159
O gráfico a seguir mostra a característica da banda proporcional:
63 9 12 15
6
3
9
12
15
0 25 50 75 100
0
25
50
75
100
Pe
psi
psi%
%
Ps
xp
 =
 1
00
%
xp
 =
 5
0%
xp 
= 2
00%
Observe que se a banda proporcional é inferior a 100%, (no caso 50%), para se obter
uma variação total de saída não é necessário que o off-set varie 100% (no caso 50%
já é suficiente). Se a banda proporcional é superior a 100% (no caso 200%), a saída
teoricamente nunca irá variar totalmente, mesmo que o off-set varie toda a faixa
(100%). Caso o valor do erro ultrapasse a faixa da banda proporcional, o sinal de
saída saturará em 0 ou 100%, dependendo do sinal de erro.
O valor de Po é normalmente escolhido em 59% da faixa de saída, pois desta forma o
controlador terá condição de corrigir erros tanto acima como abaixo do set-point.
Cálculo da Saída de um Controlador P
Observe a malha mostrada abaixo:
RESERVATÓRIO
DE AR
CONSUMO
ALIMENTAÇÃO
PIC
PT
Instrumentação
Controle Automático de Processo160
Supondo que a faixa de medição PT seja 0 a 10 Kgf/cm2, e a pressão no reservatório
seja 5 Kgf/cm2, a saída do controlador (SPIC) estará em 50%.
Num dado momento, a pressão do reservatório aumenta para 6 Kgf/cm2 (60% da
faixa), o que acontecerá com a saída do controlador sabendo-se que o mesmo possui
banda proporcional = 125%?
Para responder esta questão, inicialmente deve-se analisar a malha como um todo,
observando que será necessário fechar a válvula para que a pressão no reservatório
volte o set-point 50%. Sabendo-se que o elemento final de controle (válvula) fecha a
sua passagem com o aumento do sinal aplicado em si (válvula do tipo AFA "Abertura
por Falta de Ar"), portanto o sinal de saída do controlador para a válvula deverá
aumentar.
Sendo assim, neste exemplo quando a variável de processo for maior que o set-point,
ou seja, um erro (off-set) positivo, a saída do controlador deve aumentar, o que
caracteriza AÇÃO DE SAÍDA DIRETA.
Quando o off-set positivo (VP > SP) e o controlador necessitar diminuir a sua saída,
esta situação caracteriza uma AÇÃO DE SAÍDA REVERSA.
Resumindo:
AÇÃO DIRETA
 Off-set mais Negativo → Saída diminui
 Off-set mais Positivo → Saída aumenta
AÇÃO REVERSA
 Off-set Negativo → Saída aumenta
 Off-set Positivo → Saída diminui
Voltando ao problema anterior, pode-se agora calcular a saída do controlador, pois:
Po = 50%
E = VP - SP = 60% - 50% = 10%
G = 100 = 100 = 0,8
 BP 125
Ação de Saída = Direta
 S = 50 + (0,8 x 10) = 50 + 8 = 58%
SPIC = 58% = 9,96 PSI
Pode-se ainda calcular a saída utilizando as unidades da faixa de instrumentação,
como por exemplo 3 a 15 PSI, sendo
S = 9 + (0,8 x E) PSI
onde: E = VP - SP = 10,2 (60%) - 9 = 1,2 PSI
Instrumentação
Controle Automático de Processo 161
 S = 9 + (0,8 x 1,2) = 9 + 0,96 = 9,96 PSI
 SPIC = 9,96 PSI (58%)
Obs.: Nunca calcule o erro em % e depois converta em PSI. Calcule o erro
diretamente em PSI.
Controle Proporcional + Integral
Os controladores com ação Integral (Controle com Reset) são considerados de ação
dinâmica pois a saída dos mesmos é uma função do tempo da variável de entrada.
A saída de um controlador com ação integral é proporcional à integral do erro ao longo
do tempo de integração, ou seja, a velocidade da correção no sinal de saída é
proporcional a amplitude do erro. Enquanto houver erro, a saída estará aumentando
ao longo do tempo.
A figura abaixo mostra a variação do sinal de saída (PS) de um controlador
pneumático, em função do tempo, supondo que o Set-Point seja em 50% e o sinal de
entrada (Pe) do controlador varie em degrau passando de 9 PSI (50%) para 10 PSI
(58%).
8
7
9
10
11
12
13
1 2 3 40
Tv
1psi
1psi
Ps
Pe
C
D
min
t
Pe-Ps
Observe que a saída do controlador Ps (linha pontilhada), aumenta instantaneamente
em t=0 (momento que acontece um degrau na entrada do controlador) de 9 a 10 PSI e
depois vai aumentando, com velocidade constante, enquanto dura o degrau imposto
na entrada do controlador. Esta variação em forma de rampa provocada pela ação
integral.
O tempo Tv é o tempo necessário para que a saída do controlador (Ps) devido a ação
integral tenha variado a mesma quantidade que devido a ação proporcional a saída
variou no instante t=0, ou seja, no exemplo mostrado no tempo t=0 a saída variou em
1 PSI a após decorrido Tv a saída mais 1 PSI.
Neste exemplo, Tv = 1,2 min. A este tempo Tv é dado o nome de Tempo Reset e é
expresso em Minutos Por Repetição (MPR).
Instrumentação
Controle Automático de Processo162
A ação integral pode também ser denominada Taxa Reset e expressa em Repetições
Por Minuto (RPM). A relação entre Tempo Reset e Taxa Reset é:
Tempo Reset (MPR) = 1 .
 Taxa Reset (RPM)
A figura abaixo mostra as curvas de saída de um controlador com diferentes ajustes
de integral.
8
7
9
10
11
12
13
1 2 3 40
Tv
1psi
1psi
Ps
Pe
C
D
min
t
Pe-Ps P's
Controle Proporcional + Derivativo
Nos controladores com ação Derivativa (Controle Antecipatório), a saída do
controlador é proporcional a velocidade de variação do erro na entrada.
A figura abaixo mostra a saída "Ps" (linha pontilhada) de um controlador, no caso
pneumático, somente com ação proporcional.
8
7
9
10
11
12
13
1 2 3 40 min
t
Pe-Ps
Ps
A
B
psi
Pe
Se a variação na entrada (Pe) se apresentar em forma de rampa (velocidade
constante), devido a ação proporcional, a saída Ps varia na mesma proporção que Pe.
A introdução da ação derivativa no controle, pode ser vista no próximo gráfico.
Observe que no instante em que a entrada Pe começa a variar (ponto A), a saída Ps
sofre um incremento de 12,5% (1,5 PSI) e em seguida aumenta com a mesma
velocidade da variação de entrada Pe. O aumento rápido inicial é devido à ação
derivativa, enquanto o aumento gradual que segue é devido à ação proporcional.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 163
8
7
9
10
11
12
13
1 2 3 40 min
t
Pe-Ps
Ps
A
B
psi
TA
Pe
Analisando o gráfico, o tempo de antecipação Ta é o tempo que a ação derivativa se
antecipa ao efeito da ação proporcional, ou seja, houve uma antecipação de 12,5% na
saída inicialmente e após Ta minutos a saída variou mais 12,5%.
A ação derivativa pode ser denominada como Pré-Act.
Tipos de Controladores
Controlador Lógico Programável – CLP
Para automatizar operações utilizando equipamentos nas industrias, e necessário que
existia uma seqüência lógica de ligação e que os equipamentos estejam preparados
para situações de emergência. Existem conceitos fundamentais para execução de
projetos, aplicando conhecimentos específicos nesta área, afim de obter maior
segurança, rendimento, e economia.
Nos sistemas lógicos de ligação de equipamentos e seus intertravamentos, por muitas
décadas e ainda hoje, e utilizando o relê como elemento principal. O relê é um
dispositivo eletro mecânico que permite a ampliação e a conversão de sinais elétricos.
O uso de reles exige que sejam instalados em painéis que recebem e enviam seus
sinais para o campo ou, próximos aos equipamentos.
Qualquer modificação no processo ou controle dos comandos, exige acréscimo ou
retirada de equipamentos, fios. Muitas vezes as modificações tornam-se inviáveis por
falta de espaço, custos altos e dificuldades operacionais. Os painéis, alem de possuir
certa complexidade na sua construção, envolvem o uso de uma grande quantidade de
fios e reles tornando sua manutenção por demais longa, muitas vezes não permitindo
a continuidade operacional de uma planta.
Instrumentação
Controle Automático de Processo164
No final da década de 60, a General Motors Corporation contratou o projeto de
desenvolvimento de uma empresa americana, a MODICON, para substituir grandes
painéis de controle de suas linhas de produção. Nascia a família dos controladores
lógicos programáveis (CLP). Atualmente existem vários desenvolvedores e fabricantes
de CLP. A empresa ALLEN BRADLEY tornou-se ama das empresas lideres do
seguimento, patenteando sua marca PLC (Programmable Logical Controller).
O CLP possui uma arquitetura de hardware que permite a utilização de programas,
interagindo com o processo através de suas entradas que recebem sinais do campo
oriundos de chaves de fluxo, contatores, pressostatos, finais de curso de válvulas, etc.
Após o recebimento destes sinais, o CLP executa as suas rotinas de controle e aciona
as devidas saídas que irão atuar nos dispositivos que finalmente controlam o
processo.
Os CLPs possuem linguagem de programação, cada fabricante desenvolveu sua
própria, que e formada por um conjunto de instruções. As instruções executam varias
funções e operações que podem ser simples ou complexas se necessário. As mais
simples como: as aritméticas (soma, subtração, multiplicação, divisão), de controle
PID, de temporização, acumulo, contagem.
O CLP é composto de módulos, possuindo cada modulo funções especificas que se
relacionam com todo o conjunto.
• CPU – unidade central de processamento.
• Cartões de entradas e saídas digitais (discretas)
• Cartões de entradas e saídas analógicas.
• Interfaces de comunicação para utilização de diferentes protocolos.
• Fontes de alimentação
Vantagens do CLP
Programação:
Utilizando os diagramas ladder, a programação se torna simplificada e bem
estruturada.
Diagnósticos de falhas e problemas
Existe a possibilidade de utilização de diagnostico via software e a monitoração dos
sinais que o CLP utiliza. É possível acompanhar a manutenção através de um terminal
e testar o sinal, tornando rápida e facilitada a operação.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 165
Monitoração de alarmes do processo
O CLP pode ser conectado em redes de sistemas supervisório ou também
enviar/receber informações de um SDCD.
Reutilização plena
O CLP pode ser utilizado em qualquer outro tipo de processo. É preciso apenas
programa-lo com programas que atendam as necessidades do novo processo.
Intercambialidade dos Cartões
É possível ampliar, expandir. Os novos módulos podem ser acrescidos no modulo já
existente.
Estrutura do PLC
EEPROM – Memória não volátil que armazena programas e dados (Eletrically
Erasable Program Read Only Memory)
RAM – Randomic Access Memory Memória de acesso aleatório.
Controle digital direto (DDC ou Supervisório)
As entradas de processo são conectadas a um computador central que efetua cálculos
e libera as saídas para os elementos finais de controle.
Instrumentação
Controle Automático de Processo166
O computador manipula um grande número de variáveis de processo e pode calcular
estratégias de controle complexas.
O operador pode atender um número maior de loops, tornando possível o
gerenciamento de processo.
Uma falha no computador pode parar toda a planta, a menos que existia um
computador redundante que assuma o processo, este operando em paralelo até o
momento da falha.
Supervisório
Um computador central se comunica com diversos Controladores individuais do
processo possibilitando mudança de set-point e outros parâmetros dos controladores
continuam o controle do processo.
SDCD – Sistema digital de Controladores distribuído
Possui diferentes níveis de controle combinado conceitos de controle centralizado e
controle individual. Baseado na Manufatura Integrada por Computador (CIM), o SDCD
pode possuir de 3 até 5 níveis:
Nível 1
Medição e controle do processo – Controladores baseados em microprocessadores
efetuam o controle do loop, executam lógicas, comunicações, coletam e analisam
dados.
As informações são passadas para nível 2 onde existe a supervisão do processo.
Nível 2
Os operadores usam consoles de operação para monitorar e ajustar o processo.
Instrumentação
Controle Automático de Processo 167
Níveis superiores
Os computadores coletam dados de longa duração, análises e otimização para várias
unidades de processo ou plantas.
Instrumentação Ambev/08 Temperatura-AMBEV.pdf
Instrumentação
SENAI80
Temperatura
Termometria
Introdução
Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui
tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição.
Pirometria - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação
térmica passam a se manifestar.
Criometria - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero
absoluto de temperatura.
Temperatura na Indústria
A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento.
Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se
de uma forma bem definida com a temperatura.
Exemplificando:-
• Dimensões (Comprimento, Volume).
• Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás).
• Densidade.
• Viscosidade.
• Radiação Térmica.
• Reatividade Química.
• Condutividade.
• PH.
• Resistência Mecânica.
• Maleabilidade, Ductilidade.
Instrumentação
SENAI 81
Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu
comportamento provocando por exemplo:-
- Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção.
- Uma mudança na qualidade do produto.
- Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal.
- Um maior ou menor consumo de energia.
Conceito de Temperatura
Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração
e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas
de átomos que por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons.
Normalmente estes átomos possuem uma certa energia cinética que se traduz na
forma de vibração ou mesmo deslocamento como no caso de líquidos e gases.
Baseado nesta conceituação, pode-se