INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
INTRODUÇÃO
Observemos inicialmente a figura 1, que ilustra um processo no qual o Ilíquido
contido em um tanque é aquecido por meio de vapor ,
Suponhamos, por exemplo, que se deseje manter a temperatura do liquido a
80°C. Para tanto, vamos medir a temperatura utilizando um bulbo oco,
preenchido com gás, e ligado através de um capilar a um instrumento que
mede a pressão do gás. Dado que a pressão de gases varia linearmente com a
temperatura, a medida da pressão do gás permitira uma determinação bastante
precisa da temperatura. Para obter a ação de controle desejada, o instrumento
é dotado de um contato elétrico, que é fechado quando a temperatura esta
abaixo de 80°C e aberto quando a mesma está acima desse valor. O contato
elétrico é por sua vez utilizado para ligar uma válvula solenóide a qual,
portanto, permitirá a passagem de vapor sempre que a temperatura estiver
abaixo de 80°C, fechando-se ao ser ultrapassado essa temperatura.
No processo que estamos estudando, a variável controlada é a temperatura do
líquido, que podemos chamar de meio controlado. Por outro lado, o controle é
obtido por meio de ação sobre a vazão de vapor, variável manipulada,
referente ao vapor, agente de controle.
A variável! controlada e uma grandeza física que pode ser medida, tal como
temperatura, pressão, nível, vazão, etc. A variável manipulada, por sua vez, e,
em geral, a vazão de um fluído.
Em sistemas e1etricos/eletrônicos, a variável manipulada pode ser
uma
corrente ou uma potencia elétrica. No caso especifico em estudo, a variável
manipulada - vazão de vapor
— pode assumir somente dois valores
distintos:
a) Zero, quando a temperatura esta acima de 80°C e a válvula solenóide
está fechada, e
1
b) Um valor diferente de zero, quando a temperatura esta abaixo de 80°C,
e a válvula solenóide esta aberta
Um sistema mais elaborado pode ser dotado de uma válvula de outro tipo, que
pode assumir infinidade de posições entre a abertura total e o fechamento total,
obtendo-se assim uma variação na vazão de vapor, de acordo com as
necessidades do processo.
Se formos controlar o nível de um líquido em um reservatório, colocaremos
uma válvula desse tipo na canalização de entrada, (ou, eventualmente, na
canalização de saída). Um medidor-controIador de nível será utilizado par a
abrir ou fechar a válvula. Nesse caso, o meio controlado e o agente de controle
são, tanto um como o outro, o liquido cujo nível se deseja controlar.
Poderemos, também, colocar uma válvula desse tipo numa tubulação e medir e
controlar a vazão de um líquido que passa pela mesma. Nesse caso, a variável
controlada e a variável manipulada são iguais a vazão do liquido.
Voltando ao processo da fig. 1, o sinal do medidor, que no caso é composto de
bulbo, capilar e elemento sensível a pressão, e comparado com o ponto de
ajuste, ou "setpoint" - valor ajustado no aparelho, e valendo 80°C. Essa
comparação é feita por meios mecânicos (movimentos de peças), pneumáticos
(pressões de ar comprimido) ou elétricos (correntes ou tensões). O resultado
da comparação será o desvio - diferença entre o ponto de ajuste e o valor
medido. No caso em estudo, o controlador propriamente dito abre ou fecha um
contato elétrico, conforme o desvio seja negativo ou positivo, respectivamente.
O contato elétrico é utilizado para acionar o elemento final de controle,
constituído pela válvula solenóide.
O sistema estudado, bem como inúmeros outros, poderá ser descrito por um
diagrama de blocos, como o da figura 2.
Note-se que é possível separar o controlador do "elemento final de controle",
que foram colocados no diagrama da fig. 2 num só retângulo.
Nesse diagrama, introduzimos mais os seguintes conceitos:
2
1. Comparador, que será o dispositivo que compara o ponto de ajuste (ou
"setpoint") com o sinal de medição.
2. Perturbações, que serão todos os fatores externos ao processo que
poderão influir na variável controlada. Vamos imaginar que o liquido a
ser aquecido entra continuamente no tanque por uma tubulação e sai
por outra. O elemento medidor de temperatura poderia ser colocado,
nesse caso, na tubulação de saída. Podemos identificar aí diversos tipos
de perturbações:
a) Perturbações devidas ao meio controlado: temperatura de entrada,
vazão, composição, concentração.
b) Perturbações devidas ao agente de controle: temperatura e pressão do
vapor.
c) Perturbações ambientais: temperatura ambiente, ventos, etc.
No diagrama, os retângulos correspondem a elementos que transformam um
sinal em outro.
Assim, p.ex., o retângulo "contro1ador" corresponde a um elemento que
transforma o sinal de desvio em sinal de sai da que será levado ao elemento
final de controle
Numa analise matemática do processo, poderemos colocar em cada retângulo
a relação funcional entre a "saída" e a "entrada" do retângulo.
Consideremos, p. ex., um "elemento final de controle" constituído por uma
válvula de controle, cuja abertura dependa da pressão de ar comprimido
aplicada a um "atuador pneumático" acoplado a válvula.
Suponhamos que, com uma pressão de ar de 3 psi, a válvula esteja fechada, e
que, com uma pressão de 15 psi a válvula esteja totalmente aberta, deixando
passar 1200 litros/min. de um líquido. Suponhamos, ainda, que a relação entre
a vazão do Ilíquido e a pressão do ar seja linear. Podemos verificar que:
Vazão do líquido = 100 (pressão de ar -3), ou,
Q = (P-3)*100
Poderíamos, também, considerar somente as "variações" e afirmar que, para
cada psi de variação na pressão de ar, a vazão varia 100 litros/minuto. Nesse
caso, ∆Q = I00. ∆P, em que ∆Q e ∆P são as variações nos valores da vazão
do liquido e da pressão do ar, dados em litros/min e psi, respectivamente.
Finalmente, poderíamos dizer que a "função de transferência" que descreve a
relação da variação da saída com a variação da vazão da entrada é:
3
௱ொ
௱௉
= 100 ( I i tros/m i n. ps i )
Muitas vezes, a relação e dependente do tempo, e só pode ser
convenientemente descrita por uma equação diferencial. Recorre-se
freqüentemente, nesse caso, a transformação de Laplace, colocando então, em
cada retângulo a relação entre salda e entrada no piano "s".
Os círculos que aparecem no diagrama correspondem a somas algébricas. O
"comparador", p.ex., subtrai o "sinal de medição" do "ponto de ajuste", obtendose assim o "desvio".
Um estudo ordenado da instrumentação e Controle de Processos poderá ser
feito detaIhando-se separadamente cada um dos elementos constantes do
diagrama, após o que se fará o estudo de sistemas completos.
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