BRPI1009948A2

BRPI1009948A2 - vÁlvula de controle de fluxo

Info

Publication number: BRPI1009948A2
Application number: BRPI1009948-4A
Authority: BR
Inventors: John Edward Beeston; Rupert Owen
Original assignee: Siemens Vai Metals Tech Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-07-24
Also published as: GB2474892A; EP2317188A2; GB0919068D0; CN102052509A; RU2010144515A; JP2011094794A; US20110100469A1; GB2474892B

Abstract

VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO. A presente invenção refere-se a uma válvula de controle de fluxo que está descrita, a qual atende os requisitos operacionais de uma máquina de resfriamento para tiras ou placas metálicas quentes. A válvula é operada por um atuador pneumático o qual é controlado pela utilização de uma válvula proporcional pneumática de alto desempenho em conjunto com um controlador eletrônico que recebe os sinais de referência e de retorno.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO"

A presente invenção refere-se ao controle preciso e rápido de fluxo de fluido por uma válvula. É especificamente útil para o controle de flu- xo de água durante o resfriamento de tiras ou placas metálicas quentes mas encontra aplicação em outras áreas onde um controle preciso e rápido de fluxo de fluido é requerido.

Um tipo muito comum de válvula que é utilizado na indústria é a válvula do tipo borboleta ilustrada na figura 1. O corpo da válvula 1 está pre- so entre flanges em um tubo. Uma barreira rotativa, conhecida como uma borboleta 2, é girada pelo eixo 3 para controlar o fluxo através da válvula e com isto do tubo.

O método mais comum para atuar o eixo 3 é a utilização de pneumática. Uma instalação típica está ilustrada na figura 2. O eixo da vál- vula borboleta está conectado no atuador pneumático 4 por um acoplamento 5.

Existem muitos tipos diferentes de atuadores pneumáticos dis- poníveis no mercado mas um projeto típico está ilustrado na figura 3. Os pis- tões 6 e 7 são movidos por pressão de ar dentro de câmaras 8, 9 e 10. Se a força sobre os pistões devido à pressão de ar dentro das câmaras 9 e 10 for maior do que a força sobre os pistões devido à pressão de ar dentro da câ- mara 8, então os pistões tendem a mover na direção da posição fechada e vice -versa. O movimento dos pistões é transferido para o eixo o qual opera a válvula pelas cremalheiras 11 e 12 e o pinhão 13 (os dentes sobre o pi- nhão omitidos para clareza).

Se a válvula for somente utilizada para um controle de liga - des- liga simples do fluxo então a pressão de ar para as câmaras de atuador 8, 9 e 10 pode ser comutada utilizando, por exemplo, válvulas pneumáticas ope- radas por solenoide.

No entanto, de modo a utilizar a válvula para controle de fluxo é necessário controlar a posição da borboleta. O método mais comum para controlar a posição da borboleta é utilizar um dispositivo eletropneumático conhecido como um posicionador. Existem muitos diferentes projetos de po- sicionadores disponíveis no mercado mas um projeto típico está ilustrado nas figuras 4 e 5. A figura 4 mostra como o posicionador 14 está usualmente montado sobre o atuador 4.

A figura 5 ilustra uma disposição interna típica de um posiciona- dor. A unidade contém um conversor de l/P (isto é, corrente para pressão) (não mostrado). Este toma um sinal de entrada de corrente elétrica - tipica- mente 4-20 mA - e produz uma pressão de ar a qual é proporcional ao sinal de corrente elétrica. A pressão de ar do conversor de l/P atua sobre um dia- fragma 15. Esta é a força de controle. No outro lado do diafragma está uma mola de retorno 16 e um braço de balanço 17 o qual está preso a um carre- tei 18. Um aumento na pressão de ar do conversor de l/P faz com que o dia- fragma 15 mova para baixo contra a mola de retorno 16. Isto move o braço de balanço 17 e com isto o carretei 18. O movimento do carretei abre orifí- cios de tal modo que o ar é permitido fluir para dentro de um lado do atuador e para fora do outro lado do atuador.

O mandril 19 e o carne 20 proveem um mecanismo de retorno. O mandril 19 está conectado a uma extensão do eixo de atuador de modo que quando o atuador move o mandril ele se move também. A rotação do man- dril faz com que o carne 20 gire o que por sua vez move o braço inferior 21 para cima o que aumenta a força por sobre o diafragma da mola de retorno. O braço inferior 21 é tensionado contra o carne 20 pela mola 31 ou outro meio de tensionamento adequado. Quando a força de retorno equilibra a força de controle então o diafragma e o braço de balanço movem de volta para a posição zero na qual o carretei está fechado e o movimento do atua- dor para. Diferentes carnes 20 podem ser utilizados para fornecer diferentes curvas características para a posição da válvula versus o sinal de referência.

Apesar do projeto detalhado de posicionadores variar entre os diferentes fornecedores os princípios gerais são similares pelo fato de que estes utilizam uma amplificação de força mecânica - pneumática para operar o carretei principal 18 e estes utilizam um retorno mecânico da posição de válvula. Para muitos propósitos, os projetos da técnica anterior acima descritos são satisfatórios, mas numerosos problemas incluem:

- O tempo de resposta da válvula tende a ser muito não linear; isto é geralmente OK em grandes movimentos mas muito ruim para os mo- vimentos muito pequenos.

- O tempo de resposta tende a ser diferente para os movimentos de abertura e de fechamento da válvula.

- O controle de posição da válvula tende a ter uma histerese sig- nificativa devido à disposição de retorno mecânico e à má resposta para os movimentos pequenos.

- Os ajustes de zero e de amplitude do posicionador são demo- rados e estes tendem a flutuar ao longo do tempo.

Outro problema com os projetos da técnica anterior é que os re- quisitos para velocidade de resposta e para precisão conflitam uns com os outros. Para conseguir uma rápida resposta da válvula um pequeno atuador (isto é, um atuador com pistões de diâmetro relativamente pequeno) precisa ser utilizado de modo que um dado fluxo de ar do posicionador produza mo- vimentos rápidos da válvula. Infelizmente a utilização de um pequeno atua- dor também significa que somente uma força de atuador limitada está dispo- nível e é difícil conseguir movimentos precisos. Ao contrário, para conseguir um posicionamento preciso da válvula, um grande atuador pode ser utilizado de modo que o fluxo de ar do posicionador somente resulte em pequenos movimentos da válvula.

Na técnica anterior existem muitos exemplos de posicionadores os quais têm unidades de retorno de posição eletrônicas construídas nos mesmos ou disponíveis como um acessório. No entanto, estas unidades de retorno de posição eletrônicas não são utilizadas para um controle de posi- ção de laço fechado da válvula; estes são geralmente utilizados para propó- sitos de monitoramento somente.

Na técnica anterior as únicas soluções para estes problemas com as válvulas pneumaticamente atuadas e posicionadas têm sido utilizar ou uma atuação eletromecânica ou uma atuação hidráulica. A atuação eletromecânica que utiliza solenoides ou motores de passo ou técnicas similares podem conseguir um bom desempenho sobre as válvulas pequenas mas em geral não é possível ou seria muito dispendiosa sobre as grandes válvulas porque as forças que podem ser geradas por so- lenoides ou motores de passo razoavelmente dimensionados são pequenas comparadas com as forças que podem ser geradas por atuadores pneumáti- cos.

A atuação hidráulica de válvulas pode conseguir uma resposta muito rápida e uma alta precisão porque o fluido hidráulico é muito menos compressível do que o ar. No entanto, o custo de um conjunto de bomba hidráulica mais as válvulas de controle e atuadores hidráulicos é significati- vamente mais alto do que para os pneumáticos.

As válvulas proporcionais pneumáticas de alto desempenho são conhecidas na técnica - por exemplo a Norgren VP60 http://www.norgren.com/virtualpresscentre/pressreleases/itemdetail.asp7ltem ID=239

Estas válvulas produzem um fluxo de ar o qual é aproximada- mente proporcional ao sinal elétrico de entrada. Tipicamente, estes são utili- zados para o controle de velocidade rotacional, controle de velocidade, etc., onde o fato de que o fluxo de ar é proporcional ao sinal elétrico significa que a velocidade do motor ou atuador pneumático também será aproximadamen- te proporcional ao sinal elétrico.

Um objeto da invenção é prover uma válvula de controle de fluxo que oferece vantagens sobre a técnica anterior em termos de, inter alia, ve- locidade de resposta e precisão.

De acordo com a invenção uma válvula de controle de fluxo compreende as características apresentadas na reivindicação 1 anexa a este.

Em uma modalidade preferida, o meio para gerar um sinal de re- torno compreende um meio para medir a posição e gerar um seu sinal elétri- co indicativo.

Em outra modalidade preferida, o meio para medir a posição es- tá preso no lado de barreira de um acoplamento entre o atuador pneumático e o eixo.

O controlador pode estar vantajosamente disposto para prover um sinal de controle o qual é uma função não linear de pelo menos um do sinal de retorno, do sinal de referência e da diferença entre o dito sinal de controle e o dito sinal de referência.

A válvula pode ser uma válvula rotativa, em que a barreira é ro- tativa entre a primeira e a segunda posição e compreende um meio para gerar um sinal de retorno indicativo da posição angular da barreira.

A invenção é especialmente útil para o controle de água para o resfriamento de tiras ou placas metálicas quentes.

A invenção será agora descrita, por um exemplo não limitante, com referência às figuras anexas nas quais:

figura 1 ilustra uma válvula de controle de fluxo do tipo "borbole- 15 ta" de acordo com a técnica anterior;

figura 2 representa uma instalação de uma válvula de controle de fluxo que inclui o seu atuador pneumático e acoplamento;

figura 3 ilustra o mecanismo de um atuador pneumático típico de acordo com a técnica anterior;

figuras 4 e 5 ilustram um dispositivo posicionador típico utilizado para controlar a posição da borboleta;

figura 6 ilustra uma válvula de controle de fluxo de acordo com a invenção; e

figura 7 ilustra algumas características de saída de um controla- dor utilizado em uma válvula de controle de fluxo de acordo com a invenção.

A invenção está aqui descritas com referência à válvula do tipo "borboleta" que é bem - conhecida na técnica. Apesar de tudo, será aparente para aqueles versados na técnica que a invenção é aplicável a outros tipos de válvula, por exemplo, uma válvula do tipo de "gaveta", também bem - conhecida na técnica, ou outros tipos de válvula os quais operam pelo mo- vimento de uma barreira entre as posições para dentro e para fora de um percurso de fluido. Referindo à figura 6, a válvula 1 é operada por um atuador pneumático convencional 4 o qual está mecanicamente conectado no eixo de válvula ou diretamente ou pelo acoplamento 5. O suporte de montagem para o atuador está omitido para clareza.

O atuador pneumático 4 está conectado por tubos pneumáticos a uma válvula do tipo proporcional pneumática 22. Os detalhes desta válvula variarão entre os fabricantes e os tipos de modelos, mas a característica ge- ral é que um sinal de controle 23 positivo faz com que o carretei de válvula se mova de modo que o ar flua de P para A enquanto que ao mesmo tempo o ar é permitido fluir de B para os orifícios de descarga. O sinal de controle 23 é tipicamente derivado de um sinal de erro, o qual por sua vez é derivado da diferença entre um sinal de referência e um sinal de retorno. O sinal de retorno é representativo da posição de barreira. Um sinal de controle 23 ne- gativo faz com que o ar flua de P para B enquanto que ao mesmo tempo permitido que o ar A flua para os orifícios de descarga. Mais ainda, a abertu- ra da válvula é aproximadamente proporcional ao sinal de controle 23 de modo que quanto maior a magnitude do sinal, maior o fluxo de ar.

Um dispositivo de medição de posição angular tal como um codi- ficador está também preso na válvula como mostrado em 24. Em uma dis- posição alternativa o dispositivo de medição de posição angular poderia es- tar montado sobre uma extensão do eixo de atuador como mostrado em 25 ou este poderia estar montado entre a válvula e o atuador como mostrado em 25a. As posições 24 e 25a têm a vantagem de que quaisquer folgas no acoplamento 5 ou outra conexão entre a válvula e o atuador não afetam a medição de posição angular.

O retorno de medição de posição angular está conectado no controlador 26. No controlador, a posição de referência é comparada com a posição de retorno e um sinal de controle 23 é gerado para mover a válvula 22 para remover qualquer erro entre a posição de referência e de retorno.

Uma vantagem significativa da invenção é que o controlador 26 é eletrônico - tipicamente um PLC ou outro controlador baseado em micro- processador - e, portanto, este pode conter funções não lineares para aper- feiçoar o desempenho da válvula. Um diagrama simplificado está mostrado na figura 7. A versão simplificada do controlador inclui um ganho proporcio- nal 27 o qual é modificado pela função não linear 28 a qual é uma função, neste exemplo, do sinal e da magnitude do sinal de erro. Utilizando isto po- de-se, por exemplo, ter um ganho muito mais alto para os pequenos erros (discrepâncias entre o ajuste de válvula requerido e real) e um ganho mais baixo para os grandes erros e também, por exemplo, ter diferentes ganhos para os erros positivos e negativos. Este exemplo de controlador também contém um termo de amortecimento 29 o qual é uma função da taxa de mu- dança do sinal de retorno. Este termo de amortecimento 29 é também modi- ficado por uma função não linear 30 a qual é uma função, neste exemplo, do tamanho e do sinal do sinal de retorno.

Em sumário, a invenção utiliza um retorno eletrônico da posição de válvula juntamente com um controlador eletrônico e uma válvula de con- trole de fluxo do tipo proporcional pneumática para controlar a posição de uma válvula de controle de fluxo do tipo borboleta. A utilização de termos não lineares no controlador para aperfeiçoar o desempenho da válvula - es- pecificamente a resposta para os movimentos de tamanhos diferentes e para as diferentes direções de movimento. A montagem da unidade de retorno eletrônica para a posição de válvula nas posições 24 ou 25a, de modo que nenhuma folga no acoplamento entre a válvula e o atuador não afeta a me- dição de posição de retorno.

As vantagens oferecidas incluem tempos de resposta mais con- sistentes para os movimentos grandes e pequenos e para os movimentos em direções opostas; histerese reduzida; ajuste mais fácil (os ajustes de ze- ro e de amplitude são feitos eletronicamente) e nenhuma flutuação do zero ou da amplitude.

Claims

1. Válvula de controle, que compreende: um alojamento que define um conduto de fluido; uma barreira móvel entre uma primeira posição que oferece um impedimento máximo para o fluido que flui dentro do alojamento e uma se- gunda posição que oferece um impedimento mínimo ao fluido que flui dentro do conduto; um atuador pneumático, disposto e operável para acionar a bar- reira para posições intermediárias de, e incluindo, as primeira e segunda posições através de um eixo; uma válvula proporcional pneumática, adequada para prover um fluxo de ar para o atuador pneumático, o fluxo de ar sendo proporcional a um sinal elétrico de entrada e comutável entre pelo menos dois percursos de fluxo; um meio para gerar um sinal de retorno indicativo da posição da barreira; e um controlador disposto para receber o sinal de retorno e um si- nal de referência dependentes de uma posição de barreira requerida, e pro- ver um sinal de controle para a válvula proporcional pneumática.

2. Válvula de controle de fluxo de acordo com a reivindicação 1, em que o meio para gerar um sinal de retorno compreende um meio para medir a posição e gerar um sinal elétrico indicativo do mesmo.

3. Válvula de controle de fluxo de acordo com a reivindicação 2, onde o meio para medir a posição está preso no lado de barreira de um aco- plamento entre o atuador pneumático e o eixo.

4. Válvula de controle de fluxo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, onde o controlador compreende um meio para derivar um sinal de controle de uma função não linear de pelo menos um do sinal de retorno, do sinal de referência e da diferença entre o dito sinal de controle e o dito sinal de referência.

5. Válvula de controle de fluxo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, sendo uma válvula rotativa, em que a barreira é rotativa entre as primeira e segunda posições e que compreende um meio para ge- rar um sinal de retorno indicativo da posição angular da barreira.

6. Método para o resfriamento de tiras ou placas metálicas quen- tes, que compreende uma etapa de prover uma válvula de controle de fluxo como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, que opera a válvu- la para controlar a aplicação de um fluxo refrigerante para as tiras ou placas metálicas quentes.