Um guia introdutório com dicas práticas para a filosofia de controle com válvulas em sequência.
Em alguns processos industriais, controlar o fluxo de um fluido com precisão ao longo de uma ampla faixa operacional pode ser um grande desafio — especialmente quando uma única válvula de controle não é suficiente para cobrir toda essa variação de forma eficiente. Nessas situações, uma estratégia bastante útil é o uso do controle em faixa dividida, mais conhecido como Split-Range.
Esse tipo de controle consiste em usar duas (ou mais) válvulas trabalhando em sequência, cada uma operando em uma parte específica do sinal de controle. O objetivo é garantir uma resposta mais adequada ao processo, ampliando a faixa de controle disponível e melhorando a estabilidade.
A filosofia de controle Split-Range (ou controle em faixa dividida) é uma estratégia amplamente utilizada na instrumentação e automação industrial para superar as limitações operacionais de uma única válvula de controle. Em essência, trata-se de dividir o sinal de controle de um único controlador em faixas distintas, cada uma destinada a atuar sobre válvulas diferentes, de forma coordenada e sequencial. Essa abordagem permite ampliar o alcance de controle, aumentar a precisão e adaptar o sistema a processos com ampla variabilidade de carga ou dinâmica não linear.
Exemplo prático de controle Split-Range em nosso cotidiano: Forno para assar frangos
Imagine um forno industrial para assar frangos, onde a quantidade de calor aplicada precisa variar muito ao longo do processo:
- Na fase inicial de cozimento, quando há muitos frangos para assar, é necessário acionar duas válvulas de gás em sua capacidade máxima para gerar chamas mais intensa , calor intenso e rápido.
- Após os frangos estarem assados, o objetivo passa a ser apenas manter a temperatura estável, para não queimar a carne, usando uma quantidade menor de calor ou seja, apenas uma válvula permanece ligada para manter o forno aquecido.
Neste cenário, não é eficiente usar uma única válvula que tente controlar o gás para todas as bocas de chama ao mesmo tempo ela teria dificuldade para operar bem em toda a faixa, porque:
- Se for dimensionada para controlar o mínimo de gás (manutenção da temperatura), não conseguiria fornecer calor suficiente para o cozimento inicial.
- Se for dimensionada para fornecer gás suficiente para todo o forno, não terá sensibilidade para controlar pequenos ajustes no modo “manter aquecido”.
Assim, a solução é usar controle Split-Range: duas válvulas (ou conjuntos de bocas de chama) são acionadas em faixas diferentes do sinal de controle:
- Primeira válvula/bocas de chama: acionadas em baixa faixa do sinal para o modo de manutenção (calor baixo);
- Segunda válvula/bocas de chama: entram em operação quando o sinal aumenta, fornecendo calor adicional para o cozimento inicial (alta vazão).
Dessa forma, o sistema consegue operar com eficiência tanto em regimes baixos quanto em regimes altos de calor, garantindo controle preciso e economia de energia.
Um outro exemplo clássico onde isso se aplica é o controle de pH, uma das variáveis mais difíceis de controlar em processos industriais. Isso acontece porque o pH possui uma escala logarítmica: uma mudança de apenas 1 unidade de pH representa uma alteração de 10 vezes na concentração de íons hidrogênio. Por exemplo, uma diferença de 3 unidades de pH (como de 10 para 7) significa uma variação de mil vezes na concentração!
Nesse cenário, o uso de válvulas em Split-Range permite uma atuação mais fina e progressiva do controle, garantindo melhores resultados mesmo em processos com comportamentos tão não lineares.
Por que usar Split-Range?
Existem situações em que uma única válvula de controle não consegue operar com desempenho satisfatório em toda a faixa de processo. Isso pode ocorrer, por exemplo, quando:
- A demanda de vazão varia de valores extremamente baixos a muito elevados;
- O processo apresenta resposta altamente não linear, como no controle de pH, onde pequenas mudanças exigem ajustes finíssimos em certos pontos e grandes injeções em outros;
- Deseja-se manter precisão em regimes baixos e capacidade em regimes altos, o que exigiria válvulas com características contraditórias.
Como funciona na prática?
No arranjo Split-Range, o controlador envia um sinal padrão (geralmente 4-20 mA ou 0-100%) que é dividido em faixas de atuação distintas para diferentes válvulas. Um exemplo típico seria:
- Válvula A: atua de 4 a 12 mA (0 a 50% do sinal) – adequada para pequenas vazões com maior controle;
- Válvula B: atua de 12 a 20 mA (50 a 100% do sinal) – projetada para atender grandes vazões com robustez.
Essas válvulas podem operar em sequência complementar, onde uma começa a abrir quando a outra já está próxima do limite, ou até em sobreposição parcial, caso se deseje transições mais suaves.
Aplicação do conceito no controle de processos: o Split-Range
Esse mesmo desafio de controlar uma variável em uma ampla faixa é comum em processos industriais, como o controle de pH ou de fluxo. Em muitas situações, uma única válvula de controle não consegue ajustar com precisão tanto fluxos pequenos quanto fluxos grandes.
A filosofia Split-Range resolve esse problema ao usar duas ou mais válvulas que atuam em sequência progressiva, cada uma cobrindo uma parte da faixa total de controle. A primeira válvula controla pequenos fluxos, com alta precisão, enquanto a segunda entra em ação conforme a necessidade de maior fluxo.
Dessa forma, o sistema consegue ampliar seu alcance operacional (rangeabilidade), garantindo um controle mais eficiente, estável e econômico.
Tabela de Sequenciamento de Válvulas de Ácido
| Saída do Controlador (%) | Saída I/P (PSI) | Válvula de Ácido Pequeno (Posição do Atuador) | Válvula de Ácido Grande (Posição do Atuador) |
|---|---|---|---|
| 0% | 3 PSI | Fechada | Fechada |
| 25% | 6 PSI | Meio-aberta | Fechada |
| 50% | 9 PSI | Totalmente aberta | Fechada |
| 75% | 12 PSI | Totalmente aberta | Meio-aberta |
| 100% | 15 PSI | Totalmente aberta | Totalmente aberta |
Explicação do Funcionamento:
- 0–25%:
- Apenas a válvula pequena começa a abrir (meio-aberta em 25%), permitindo um controle preciso para pequenas correções.
- 50%:
- A válvula pequena está totalmente aberta, maximizando sua capacidade sem acionar a válvula grande.
- 75%:
- A válvula grande entra em ação (meio-aberta), enquanto a pequena permanece totalmente aberta para aumentar a vazão.
- 100%:
- Ambas as válvulas estão totalmente abertas, garantindo vazão máxima quando necessário.
O sequenciamento progressivo das válvulas de controle de ácido (pequena e grande) permite que o sistema alcance uma maior rangeabilidade, garantindo um controle preciso e eficiente do pH mesmo diante de condições de processo altamente variáveis.
Por Que Isso é Importante?
- Rangeabilidade Ampliada:
- A válvula pequena atua em baixas vazões, proporcionando ajuste fino para pequenas correções de pH.
- A válvula grande entra em operação em demandas mais altas, garantindo capacidade máxima quando necessário.
- Juntas, elas cobrem um espectro muito mais amplo de vazões do que uma única válvula conseguiria.
- Controle Eficiente em Diferentes Cenários:
- Em vazões baixas (ex.: pH levemente alcalino), apenas a válvula pequena opera, evitando sobredosagem.
- Em vazões altas (ex.: neutralização rápida de um pH muito elevado), a válvula grande complementa o fluxo, garantindo resposta rápida.
- Estabilidade do Processo:
- A transição suave entre as válvulas (definida pela tabela de sequenciamento) evita oscilações bruscas, mantendo o pH estável.
Sistema de Controle de Nível em Caldeiras com Válvulas de Vazão Diferencial
Na imagem abaixo, observamos duas válvulas de controle de nível com capacidades de vazão distintas:
- Válvula vermelha: maior capacidade de vazão (diâmetro nominal superior)
- Válvula verde: menor capacidade de vazão (diâmetro nominal reduzido)
Funcionamento do Sistema:
Na imagem apresentada, temos a ilustração de duas válvulas responsáveis pelo controle de nível da caldeira. A válvula vermelha possui maior capacidade de vazão, enquanto a válvula verde tem uma menor capacidade de fluxo. O sistema de controle utiliza essas válvulas para regular o nível da caldeira de acordo com a demanda do processo.
Em condições normais de operação, a válvula de menor capacidade de vazão (verde) é suficiente para manter o controle adequado do nível da caldeira. No entanto, em momentos de maior consumo de água ou variações abruptas na demanda, essa válvula pode não conseguir suprir a necessidade de ajuste de nível de maneira eficiente.
Para compensar essa limitação e garantir um controle preciso, o sistema aciona automaticamente a válvula de maior diâmetro (vermelha), permitindo um aumento temporário da vazão e estabilizando o nível da caldeira conforme requerido pela operação. Esse funcionamento em conjunto garante maior eficiência e segurança no controle do sistema térmico.
Controle de nível em caldeiras – Dicas de Instrumentação
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