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INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
CONTROLADORES - PRÁTICA
Introdução
Em princípio, os controladores poderiam ser de construção puramente mecânica,
porém melhores resultados são conseguidos quando um suprimento auxiliar fluido ou
elétrico é utilizado para atuar o controlador e o elemento final de controle. Podemos,
então, classificar os controladores em auto-operados, pneumáticos, elétricos,
eletrônicos, etc. Veremos a seguir alguns detalhes de cada um deles.
Controladores auto-operados
Controladores auto-operados são aqueles em que a energia necessária para obter a
ação de controle é obtida do próprio meio controlado.
Um exemplo típico de controlador auto-operado é a válvula reguladora de pressão
(fig. 1).
O "setpoint" (ponto de ajuste) é determinado pela compressão que se dá a mola.
O diafragma tem, na parte inferior, uma câmara cuja pressão é a pressão de saída;
existe portanto uma força, de baixo para cima, igual a pressão de saída multiplicada
pela área do diafragma. Por outro lado, o diafragma esta sujeito a uma outra força, de
cima para baixo, exercida pela mola. Quando as duas forças forem iguais, resulta o
ponto de equilíbrio.
Suponhamos que por algum motivo a pressão de saída baixe (seja por diminuição de
pressão de entrada, seja por aumento do consumo de saída). A força predominante
nesse caso será a da mola e o diafragma será levado para a parte inferior. Essa ação
causa um aumento de vazão de entrada, elevando a pressão de saída até o nível
anterior. Do mesmo modo, se a pressão de saída aumentar, o fluxo de entrada será
reduzido ate se restabelecer o equilíbrio.
A válvula reguladora "sem alívio" é adequada para líquidos e gases em geral. A
válvula reguladora "com alivio" tem um orifício de escape, permitindo que o fluido de
processo escape quando a pressão é mais alta que a ajustada. Sua aplicação
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principal reside na regulação de pressão de ar comprimido, para diversas aplicações
industriais (inclusive para alimentação de instrumentos de controle pneumáticos).
O tipo de controle da válvula reguladora de pressão é proporcionai, visto que a
posição do diafragma e da haste esta relacionada linearmente com a pressão de
saída. A banda proporcional não tem possibilidade de ajuste.
A válvula de boia, utilizada para controlar o nível de caixas d'água, constitui outro
exemplo de controlador auto-operado.
Na válvula termostática, a temperatura medida causa uma variação na pressão de
vapor de um sistema termal, o qual é ligado a um fole, cujo movimento aciona uma
haste presa ao obturador da válvula (Fig. 2).
Assim, a um aumento da temperatura do meio controlado corresponde um fechamento
maior da válvula termostática, resultando uma vazão menor do agente de controle.
Controladores pneumáticos
Controladores de processos industriais operados pneumaticamente são simples e de
fácil manutenção, ao mesmo tempo que, com facilidade, operam os elementos finais
de controle. Tais controladores utilizam ar comprimido como suprimento auxiliar.
O controlador pneumático tipo deslocamento opera pela conversão da variável
controlada do "setpoint" em deslocamentos correspondentes. Manipulam-se, então,
tais deslocamentos a fim de obter um deslocamento proporcional ao desvio. Isso é
obtido por um sistema diferencial que, num dos extremos, é posicionado pelo sinal de
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medição, e, no outro extremo, é posicionado manualmente para corresponder ao
"setpoint". A diferença entre os dois valores dará o deslocamento de saída.
Controladores pneumáticos geralmente utilizam-se do conjunto bico-paIheta,
esquematizado na (fig. 3).
Fornece-se ar comprimido a uma pressão de cerca de 20 psi ao sistema, através de
uma pequena restrição com diâmetro de cerca de 0,2 mm, para o bico, que tem um
diâmetro de cerca de 0,4 mm.
A palheta é posicionada contra a abertura do bico de acordo com o sinal de
deslocamento, permitindo uma passagem menor ou maior de ar pelo bico. Com isso, a
pressão de saída será portanto maior quanto menor a distancia entre o bico e a
palheta". Um percurso de uma pequena fração de milímetro é suficiente para cobrir a
faixa de pressões de saída de 3 a 15 psi. Obtém-se assim um controlador do tipo
proporcional, com uma faixa proporcional bastante estreita, visto que um
deslocamento muito pequeno da variável já e suficiente para fazer variar a saída de
um extremo ao outro.
Dada a pequena capacidade do sistema bico-paIheta, existe em geral um dispositivo
chamado válvula-piloto ou reIé-piloto, que permite a manipulação de uma quantidade
de ar maior.
A (fig. 4) mostra uma válvula-piloto de ação direta.
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Quando a palheta se aproxima do bico, a pressão no mesmo aumenta. O fole se
dilata, e permite a passagem de uma maior quantidade de ar, do suprimento para a
saída. Quando a palheta se afasta do bico, a pressão no mesmo diminui. O fole se
contrai, e o ar existente na saída escapa para a atmosfera.
Um controlador proporcional, incluindo um dispositivo de realimentação negativa, pode
ser visto na (fig. 5).
O sistema é idêntico ao já descrito, incorporando um sistema bico-palheta, bem como
uma válvula piloto. Alem disso, temos agora um fole de realimentação negativa.
Quando a palheta se aproxima do bico, a pressão no mesmo aumenta. Devido a ação
da válvula piloto, a pressão de saída também aumenta. Essa pressão é aplicada ao
fole de realimentação negativa, que atua no sentido de afastar a palheta do bico. Temse então
uma saída menor que aquela sem realimentação. Resulta um ganho menor, é portanto
uma banda proporcional mais larga. A quantidade de realimentação é portanto a
largura da banda proporcionai, pode ser ajustada movendo-se a haste que liga o fole
de realimentação a palheta.
Com a adição de realimentação negativa, obtém as seguintes vantagens:
Os efeitos de variações de pressão, de suprimento, temperatura e vazamento tornamse desprezíveis;
A banda proporcional pode ser ajustada dentro de limites bastante amplos, de acordo
com as necessidades do processo.
Um controlador proporcional - derivativo pode ser obtido adicionando-se uma restrição
ajustável na linha que leva ao fole de realimentação negativa (Fig. 6).
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A adição da restrição faz com que a realimentação negativa fique atrasada. Em
conseqüência, quando a palheta se aproxima do bico, a saída será maior do que seria
somente com a ação proporcional. Esse efeito corresponde a ação derivativa.
Um controlador proporcional–integral pode ser visto na (Fig. 7)
A ação integral é obtida pela adição de um fole de realimentação positiva, com uma
restrição na respectiva linha de ar. Os extremos livres dos dois foles são rigidamente
unidos, e a palheta é fixada a essa união por meio da ligação ajustável indicada na
figura.
Quando a palheta se aproxima do bico, a saída aumenta devido a ação do sistema
bico-palheta-fole de realimentação negativa. Pouco a pouco o ar de saída vai
penetrando no fole de realimentação positiva. Em conseqüência, a pressão de saída
vai aumentando continuamente, o que é exatamente o resultado que corresponde a
ação integral.
A banda proporcional é ajustada movendo-se a ligação à palheta. A ação integral é
ajustada variando-se a abertura da restrição.
A ação proporcional-integral derivativa pode ser obtida combinando-se um fole de
realimentação negativa (ação proporcional), com uma restrição (ação derivativa), e um
fole de realimentação positiva, com respectiva restrição (ação integral).
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Controladores pneumáticos tipo força utilizam, geralmente, 4 foles:
a) Um fole que recebe o sinal da variável de processo, geralmente de 3-15 psi,
proveniente de um transmissor;
b) Um fole que recebe um sinal de "setpoint", também de 3-15 psi, é ajustado
manualmente;
c) Um fole de realimentação negativa;
d) Um fole de realimentação positiva.
A posição relativa entre bico e palheta é influenciada pelas pressões em todos os 4
foles.
Controladores elétricos
Os controladores elétricos mais simples são do tipo liga-desliga, construídos com
micro-interruptores ou ampolas de mercúrio. (fig. 8).
Micro-interruptores são utilizados em aplicações sujeitas a vibrações (navios,p.ex,).
Ampolas de mercúrio mantém a eventual faísca confinada a um espaço
hermeticamente fechado; por esse motivo, podem ser utilizadas em ambientes
inflamáveis ou explosivos.
Quando a aplicação não está sujeita a nenhuma dessas restrições, é indiferente usar
ampolas de mercúrio ou
micro-interruptores.
Dispositivos desse tipo são comumente usados para controle e/ou alarme de
temperatura (termostatos), pressão (pressostatos), nível (chaves de boi a), etc.
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A (fig. 9) mostra um controlador flutuante, utilizando uma ampola de mercúrio especial
e um motor reversível, que abre e fecha uma válvula de controle.
Pode-se conseguir, também, uma ação de controlador proporcional, como mostra a
(Fig. 10).
O potenciômetro é montado no instrumento controlador, com o cursor movido para
cima e para baixo, acompanhando o valor do desvio. Um outro potenciômetro é
montado no motor reversível que aciona o elemento final de controle. L₁ e L₂ são os
enrolamentos de um “rele de balanço” também ilustrado na figura. Quando as
correntes em L₁ e L₂ são iguais, o contrato móvel encosta-se a um dos contatos fixos,
o motor gira e desloca ao mesmo tempo a haste do elemento final de controle e cursor
do potenciômetro P₂, até que se restabeleça o equilíbrio. Dessa maneira, haverá uma
correspondência entre a posição do elemento final de controle e o desvio.
Controladores eletrônicos
Controladores eletrônicos usam circuitos eletrônicos para obter a ação de controle.
A ação liga-desliga pode ser obtida por meio de uma palheta ligada ao ponteiro
indicador da variável, a qual se move no interior de um conjunto de duas bobinas,
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movido pelo ponteiro do"setpoint". As bobinas fazem parte de um circuito de
oscilador, que oscila ou deixa de oscilar quando a palheta se move. O oscilador
aciona um rele eletromagnético, para se obter a ação desejada.
A ação liga-desliga pode também ser obtida pela interrupção de um facho de luz, e
detecção por célula fotoelétrica.
Ambos os métodos descritos acima permitem que a zona diferencial seja reduzida a
uma fração daquela obtida com ampola de mercúrio ou micro-interruptor. Alem disso,
o controlador não "carrega" o circuito de medição, isto é, não ha necessidade de força
nenhuma para acionar o controlador.
Uma ação de controle obtida com controladores eletrônicos (e, as vezes, também com
Controladores elétricos) é a "proporcional em tempo". Um contato elétrico é acionado
ciclicamente, permanecendo fechado durante uma certa fração de tempo, em cada
ciclo. Suponhamos, por exemplo, que o ciclo seja de 60 segundos, e que o controlador
tenha "saída" de 100%. O contato estará fechado todo o tempo. Se a "saída" for de
75%, p.ex., o contato estará fechado 45 segundos (ou seja, 75%), em cada período de
60 segundos.
Controladores eletrônicos podem também ter "saída" de tensão ou corrente elétrica.
Esse sinal pode acionar amplificadores magnéticos, circuitos de controle de C.A., ou
ainda ser convertido num sinal pneumático, para atuar dispositivos pneumáticos
(como, p.ex., atuadores pneumáticos de válvulas).
Tais controladores tem seu funcionamento baseado no amplificador operacional.
A (fig.11) mostra o esquema básico de um amplificador
operacional.
Uma impedância é colocada no circuito de entrada, e uma outra, é colocada entre a
saída e a entrada, constituindo um elemento de realimentação.
Devido ao alto ganho, E₂ é desprezível quando comparado com E₁ e E₃ no raciocínio
que " vamos fazer a seguir, vamos considerar:
E₂ = 0.
No circuito da (fig.12), as impedâncias Z₁ e Z₂ são dois resistores, R₁ e R₂,
respectivamente.
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Se E₂ = 0, temo:
E₁ = R₁I
E₃ = - R₂I
Portanto,
୉₃
୉₁
=−
ୖ₂
ୖ₁
A tensão de saída (E₃) é igual a tensão de entrada (E₁), multiplicada pela relação
entre as resistências R₂ e R₁ (e invertida). Variando-se R₂ ou R₁, pode-se alterar essa
relação, de acordo com a necessidade. Mesmo que se altere o ganho do amplificador
propriamente dito, a relação entre E₃ e E₁ não muda. Obtemos, portanto, uma ação
proporcionai.
Observemos agora o circuito da (fig. 13), em que Z₁ é um resistor e Z₂ um capacitor.
Se aplicarmos repentinamente uma tensão E₁ na entrada, a corrente I será dada por:
I = ୉₁
ୖ₁
Essa corrente ira carregar o capacitor C, resultando no seu terminal da direita uma
tensão que vai aumentando (para o lado negativo), linearmente. Obtemos dessa
maneira a ação integral.
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No circuito da (fig. 14), Z₁ é um capacitor, e Z₂ é um resistor.
Se aplicarmos a entrada uma tensão E₁ que aumenta linearmente, a corrente através
do capacitor será constante; essa mesma corrente passa pelo resistor R, resultando
uma tensão E₃ constante (e negativa). Podemos identificar ai a ação derivativa.
Controladores eletrônicos de 2 ou 3 ações são construídos com amplificadores
operacionais em que Z₁ e Z₂ são combinações de resistores e capacitores.
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