REGULADOR ELETRÔNICO DE PRESSÃO
L. L. Martins1; T. A. Botrel2; M. F. Pinto3; A. P. Camargo3; C. A. Salvador3
RESUMO: O objetivo deste trabalho foi desenvolver um regulador eletrônico de pressão. O
sistema é composto por uma válvula hidráulica, um transdutor de pressão, duas válvulas
solenóides, um aspersor e um circuito microprocessado. Baseado na leitura do transdutor de
pressão, o controlador eletrônico aciona as válvulas solenóides para pressurizar ou para aliviar o
diafragma da válvula hidráulica. O tempo em que a válvula solenóide permanece aberta é função
da pressão instantânea na tubulação. Testou-se o regulador eletrônico nas condições de pressão de
entrada de 130,43 kPa e 387,35 kPa, programando-se o software para ajustá-las para 98,06 kPa e
357,93 kPa respectivamente. O controlador apresentou um bom desempenho ajustando as
pressões de entrada de 130,43 kPa e 387,35 kPa para 98,28 e 357,94 kPa, respectivamente.
PALAVRAS-CHAVE: automação, controlador, válvula hidráulica.
ELECTRONIC PRESSURE REGULATOR
SUMMARY: This work had the purpose to develop an electronic pressure regulator. The
system has a hydraulic valve, a pressure transducer, two solenoid valves, a sprinkler, and a
microcontrolled circuit. Based on pressure transducer measurement, the electronic controller
handles both solenoid valves in order to pressurize or decrease pressure on hydraulic valve’s
diaphragm. Therefore, the period of time while solenoid valve remains opened depend on
instantaneous pressure inside the pipe. Microcontroller was programmed in order to allow
selection of the following regulated pressures: 98.06 kPa and 357.93 kPa. During the tests, the
outlet measured pressure was 98,28 kPa considering an inlet pressure of 130.43 kPa, and 98.06
kPa as desired outlet pressure. Likewise, the outlet measured pressure was 357.94 kPa
considering an inlet pressure of 387.35 kPa, and 357.93 kPa as desired outlet pressure. Based on
presented results, the electronic pressure regulator worked properly.
KEYWORDS: automation, controller, hydraulic valve
1
Engenheiro Agrônomo, Mestrando em Irrigação e Drenagem, Departamento de Engenharia de Biossistemas, Escola
Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, ESALQ - USP, Av. Pádua Dias, 11, Caixa Postal 9, CEP 13418-900, Piracicaba,
SP. Fone (19) 3447-8549. e-mail: [email protected].
2
Prof. Doutor, Departamento de Engenharia de Biossistemas, ESALQ - USP, Piracicaba, SP.
3
Doutorandos em Irrigação e Drenagem, ESALQ - USP, Piracicaba, SP
L. L. Martins et al.
INTRODUÇÃO
A água é um dos fatores de produção mais importantes para a agricultura (Armindo, 2009)
sendo esta uma das atividades que mais consomem água (Rijsberman, 2006). Dados
apresentados por Coelho et al. (2005) relatam que a eficiência de irrigação, no âmbito mundial,
situa-se, em termos médios de 37%. Para contornar estes indicadores, Lima et al. (2003) citam
que os sistemas de irrigação devem ser bem projetados, sobretudo em áreas de topografia
acidentada, em que se observa acentuada variação na pressão do sistema, causando
significativas diferenças de vazão e uniformidade de aplicação de água.
Dentre os fatores hidráulicos que afetam a uniformidade de aplicação de água, deve-se citar a
variação de pressão no sistema, a topografia do terreno e a inexistência ou operação inadequada
de reguladores de pressão. Visando-se regular a pressão de saída numa faixa definida de pressão
de entrada emprega-se as válvulas reguladoras de pressão, contudo de acordo com Lima et al.
(2007), a pressão de saída na válvula nem sempre será correspondente a apresentada no catálogo
do fabricante caso se altere a pressão de entrada ou a vazão do sistema,com relação aos valores
fixados na sua curva de desempenho.
Os reguladores mais comuns são constituídos por uma carcaça que aloja um êmbolo empurrado
por uma mola mantendo-o na posição de máxima abertura, porém quando a pressão de entrada é
maior, ela se transmite momentaneamente, fechando parcialmente o êmbolo (Tarjuelo, 2005).
Com o avanço da eletrônica e a modernização da agricultura irrigada, justifica-se a atenção
para o aperfeiçoamento das técnicas de controle de pressão em sistemas de irrigação. O uso de
microcontroladores auxilia no controle de processos e no auxílio à tomada de decisão,
possibilitando a automação de reguladores de pressão que sejam capazes de manter constante a
pressão de saída, independente da pressão de entrada e que possibilitem estabelecer a pressão de
saída de acordo com as necessidades individuais de cada sistema de irrigação.
De acordo com o que foi exposto, este trabalho teve como objetivo a construção de um
regulador eletrônico de pressão que seja preciso e exato.
MATERIAL E MÉTODOS
O desenvolvimento do regulador de pressão, bem como os ensaios pertinentes a avaliação do
sistema, foram realizados no Laboratório de Hidráulica do Departamento de Engenharia de
Biossistemas da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – USP. O sistema é
composto por uma válvula hidráulica, um sensor de pressão, duas válvulas solenóides e um
circuito microprocessado (Figura 1).
O equipamento foi testado operando sob pressão de entrada de 130,43 kPa e 387,35 kPa,
sendo o software programado para ajustar a pressão para 98,06 kPa (situação 1) e 357,93 kPa
(situação 2) respectivamente.
O controle da pressão foi feito com base na lógica proporcional, em que o controlador age
sobre o processo com uma atuação “on-off”. Assim, o tempo de abertura e fechamento das
válvulas solenóides (sinal de saída do controlador) é referenciado pelo “erro” existente entre
diferença de pressão lida pelo controlador e a pressão de ajuste a cada instante de medição.
L. L. Martins et al.
A válvula hidráulica utilizada foi da fabricante Bermad, série 200, do tipo globo, com limites
de pressão de 68,95 kPa a 1034,21 kPa, permitindo uma variação de perda de carga de 56 kPa.
Foi utilizado uma tubulação de 0,025 m de diâmetro para a instalação do sistema, a qual
caracteriza-se por possuir a mesma seção transversal da válvula hidráulica.
O sensor de pressão utilizado foi o modelo MPX 5700DP, sendo calibrado com auxílio de
um manômetro tipo peso morto, obtendo-se experimentalmente a equação que correlaciona a
leitura em bytes do ADC à pressão no momento da leitura (Equação 1).
(eq.1)
em que, P – pressão, kPa; b – diferença de potencial, bits.
As tomadas pressão foram instaladas a uma distância de 4 vezes o diâmetro da tubulação a
partir do eixo central da válvula hidráulica, evitando-se erros advindos da turbulência
ocasionada por esta. A pressão foi transmitida ao sensor por meio de microtubo de polietileno
com diâmetro de 0,004 m e lida pelo microprocessador a cada 0,001 segundo, sendo que a
pressão apresentada no display é o resultado médio de 10 leituras.
O circuito eletrônico (Figura 2) é composto pelo microcontrolador PIC18F4550, da
Microchip, que possui memória flash de 32 kbytes e é programado em linguagem
computacional C. A transmissão de dados para o computador foi feita via interface serial,
utilizando-se o circuito integrado MAX 232. Para se obter a visualização imediata da variação
de pressão do sistema durante o processo de ajuste, usou-se um LCD no sistema eletrônico. O
acionamento dos relés é feito por meio de uma interface de potência pelo circuito integrado
ULN 2803 fabricado pela Toshiba.
A observação da pressão de entrada foi feita com auxílio de um manômetro digital instalado
a montante da válvula hidráulica. No final da linha de condução de água acoplou-se um aspersor
com a finalidade de provocar uma perda de carga na saída, restringindo o fluxo e limitando a
perda de carga na válvula.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As Figuras 3A e 3B destacam a variação da pressão no sistema em função do tempo de
atuação do regulador de pressão. O tempo verificado para o controlador de pressão atingir o
valor de pressão desejado foi inferior a 80 segundos, o que demonstra sua eficiência no ajuste da
pressão estabelecida.
Para que ocorra redução da pressão, a válvula solenóide 1 (Figura 1) é acionada, liberando o
fluxo de água, e assim pressionando o diafragma, que por consequência reduz a área de
passagem de água na válvula hidráulica. Antagonicamente a este processo, a válvula solenóide 2
(Figura 1) tem a função de promover alívio no diafragma liberando o fluxo de água e
consequentemente diminuindo a perda de carga.
A diferença de pressão observada na entrada e na saída, no início do processo, foram de
16,77 kPa e 14,81 kPa para as situações 1 e 2 respectivamente. Esta diferença de pressão devese as perdas de carga provocadas pelas peças hidráulicas ao longo da tubulação, entre os dois
pontos da tomada de pressão, bem como do próprio equipamento controlador de pressão.
O equipamento mostrou-se eficiente ao regular as pressões de 130,43 kPa e 387,35 kPa para
uma pressão média de 98,28 kPa e 357,94 kPa respectivamente (valores médios de pressão
L. L. Martins et al.
considerando todos os valores da curva referentes as pressões lidas pelo controlador). Portanto
verifica-se que houve uma variação da pressão ajustada para a pressão desejada de 0,22 kPa
para a primeira situação e de 0,01 kPa para a segunda situação.
Devido a fatores intrínsecos às válvulas solenóides, o limite de tempo de resposta é de no
mínimo 30 milissegundos, consequentemente, o volume de água sobre o diafragma neste intervalo
de tempo provoca uma flutuação dos valores de pressão ajustada em torno da pressão requerida.
CONCLUSÃO
O regulador eletrônico de pressão atuou de forma eficiente, convergindo rapidamente
(aproximadamente 80 segundos) para a pressão pré-estabelecida no microprocessador.
AGRADECIMENTOS
À FAPESP, ao MCT, CNPq e à CAPES, pelo apoio financeiro a esta pesquisa, por meio do
Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Engenharia da Irrigação (INCTEI).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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98p. Tese (Doutorado em Irrigação e Drenagem). Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, USP.
COELHO, E. F.; COELHO FILHO, M. A.; OLIVEIRA, S. L. Agricultura irrigada: eficiência de irrigação
e de uso de água. Bahia Agrícola, Cruz das Almas, v.7, n.1, p.57-60, 2005.
LIMA, SÍLVIO C. R. V.; FRIZZONE, J.A.; COSTA, R.N.T.; SOUZA, F.; PEREIRA, A.S.; MACHADO,
C.C.; JÚNIOR, M.V. Curvas de desempenho de válvulas reguladoras de pressão novas e com diferentes
tempos de utilização. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.7, n.2,
p.201-209, 2003.
LIMA, SÍLVIO C. R. V.; FRIZZONE, J.A.; BOTREL, T. A.; TEIXEIRA, M.B.; CARVALHO, M.A.R.;
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Interna. Revista Brasileira de Agricultura Irrigada, Fortaleza, v.1, n.1, p.9–14, 2007.
RIJSBERMAN, F. R. Water scarcity: fact or fiction? Agricultural Water Management, Amsterdam, v.80, p. 5-22, 2006.
TARJUELO, J.M. El Riego por Aspersión y su Tecnología. 3.ed. Madrid: Mundi Prensa, 2005, 585p.
Manômetro
V1
V2
Controlador
Sensor
Tomada de pressão 1
Válvula hidráulica
Tomada de pressão 2
Figura 1. Sistema regulador de pressão, onde V1 e V2 são válvulas solenóides.
Emissor
L. L. Martins et al.
Figura 2. Circuito eletrônico regulador de pressão.
114
109
104
99
94
0
A
Pressão Lida
Pressão de Ajuste
200
400
Tempo Acumulado (s)
Pressão de Ajuste
372
Pressão Lida (kPa)
Pressão Lida (kPa)
Pressão Lida
367
362
357
352
600
0
B
200
400
600
Tempo Acumulado (s)
Figura 3. Tempo de resposta para regular a pressão de entrada de 130,4 kPa para a pressão desejada de
98,1 kPa (A) e de 387,4 kPa para 357,9 kPa (B).