VÁLVULAS”

CAMPO DE APLICAÇÃO

[001 ] A presente invenção está contida no campo de aplicação dos dispositivos e equipamentos eletrónicos, mais precisamente no campo dos dispositivos eletrónicos aplicados na área de metrologia, controle e automação.

[002] A referida invenção consiste em um dispositivo para controle em um processo industrial, mais especificamente em um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas de controle o qual permite a sua calibração de maneira automática, aplicado em válvulas rotativas e lineares, simples e de dupla ação, fornecendo um posicionamento preciso para os atuadores e válvulas.

ESTADO DA TÉCNICA

[003] A automação de um processo industrial é feita basicamente por elementos primários que são sensores de processo, elementos de controle que, mediante as informações dos sensores, tomam decisões para atuarem nos processos por meio de elementos finais e assim, procederem o controle de variáveis, mantendo-as dentro de limites pré-estabelecidos.

[004] Os elementos finais são, portanto, mecanismos que controlam a quantidade de fluídos, líquidos e gases que passam por uma tubulação, em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter estas quantidades em um valor, ou faixa de valores, pré-determinado. Referidos elementos finais de controle podem ser operados por meios elétricos, pneumáticos ou mecânicos.

[005] A válvula de controle é o elemento final mais utilizado nos sistemas de controle industrial. Comumente acionada pneumaticamente, a válvula era, no passado, suficiente para ter o processo controlado e manter a planta industrial produzindo dentro de parâmetros otimizados.

[006] Posteriormente, com o desenvolvimento de novas ferramentas de modelamento matemático, os processos industriais passaram a ter uma disponibilidade de controles mais finos e precisos para melhorar o desempenho e a confiabilidade da válvula de controle. Com isso, os processos passaram a utilizar os posicionadores, estes sendo elementos que garantem que a haste da válvula se aproxime o máximo possível da abertura ideal. Ditos posicionadores trabalham em conjunto com o atuador da válvula de controle para posicionar corretamente o obturador em relação à sede da válvula.

[007] O posicionador também compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao atuador da válvula a pressão de ar necessária para colocar o obturador na posição correta, portanto, a função do posicionador é garantir que a abertura da válvula de controle esteja mais próxima possível do sinal de saída do controlador. Adicionalmente, os posicionadores estão relacionados a dinâmica de funcionamento da válvula, ou seja, seu tempo de abertura ou fechamento, velocidade de resposta da variável controlada, bem como a redução de oscilações indesejáveis nos processos.

[008] O posicionador, da mesma forma que o controlador, tem parâmetros de controle que precisam ser configurados para evitar oscilações indesejáveis no processo. Com a inclusão da tecnologia digital na concepção construtiva dos posicionadores, eles deixaram de ser considerados como um simples acessório da válvula, como por exemplo, manómetros e filtros reguladores de ar e passaram a ter uma posição de maior relevância na malha de controle, contribuindo para disponibilizar informações em tempo real para os engenheiros de processo, auxiliando assim no modelamento matemático utilizado para o controle e automação.

[009] Os posicionadores digitais podem também monitorar a intensidade e a forma de utilização das válvulas de controle identificando e fornecendo informações sobre a necessidade de manutenção preventiva das válvulas de controle por meio de funções de diagnóstico.

[0010] O estado da técnica reflete fidedignamente a evolução dos posicionadores de válvulas de maneira que alguns documentos indicam a evolução desses elementos com o passar do tempo, como o documento número PI9507472-4, sob o título“POSICIONADOR DE VÁLVULA”, depositado em 23/09/1997, cuja titularidade pertence a ROSEMOUNT INC., o qual, segundo o seu resumo, apresenta um posicionador de válvula (26) que controla a operação de uma válvula (32) em um sistema de controle de processo. O posicionador de válvula (26) é acoplado a um circuito de controle de processo (24a, 24b) sobre o qual ele recebe um sinal representativo de uma desejada posição de válvula e potência de operação para o posicionador (26). O posicionador de válvula (26) controla um atuador pneumático (30) o qual por sua vez controla a posição da válvula (32). O posicionador de válvula (26) inclui um microprocessador (52), circuito digital e circuito analógico associado.

[001 1 ] Outro exemplo de posicionadores de válvulas pode ser observado no documento número BR1 12017019694-8, sob título “ARRANJO DE VÁLVULA DE PROCESSO, POSICIONADOR DE VÁLVULA DE PROCESSO E USO DE UM ARRANJO DE VÁLVULA DE FLUIDO”, sob titularidade de METSO FLOW CONTROL OY, depositado em 15/03/2016, o qual, segundo o seu resumo, apresenta um arranjo de válvula de fluido (20) para o controle de um atuador de simples ação ou de dupla ação que compreende um corpo de válvula (201 ) tendo um furo central (202) com pelo menos um orifício de alimentação para receber uma alimentação de fluido sob pressão, pelo menos um orifício atuador (C1 , C2) para prover uma pressão de fluido de controle a um atuador, e pelo menos um orifício de escape (EX1 , EX2). O arranjo de válvula de fluido compreende pelo menos um par de bordas calibradoras de contra-ação presas operacionalmente por uma haste (203) móvel dentro do referido furo central em uma direção axial através da força piloto. Cada borda calibradora de cada par de contra-ação compreende uma superfície de sede de junção (PS1 , PS2, PS3, PS4) sobre o corpo da válvula ou da haste, e um anel de assento axial (PR1 , PR2, PR3, PR4) suportada por um elemento flexível (SD1 , SD2, SD3, SD4) ao cargo da válvula ou na haste de modo a permitir um movimento axial relativo do anel de assento axial e do corpo de válvula de suporte ou haste também em um estado fechado da respectiva borda calibradora. A presente invenção também se refere a um posicionador de válvula de processo e a um uso do arranjo da válvula de fluido no controle de uma válvula de processo.

[0012] Por fim, outra solução compreendida no estado da técnica refere-se ao objeto apresentado pelo documento WO2013034179, depositado em 14/03/2014 sob o título “VALVE POSITIONER AND VALVE MONITORING SYSTEM”, cuja titularidade pertence a ABB AS, WEEMES PHILLIP e JELLUM EDGAR, no qual, segundo o seu resumo, compreende um posicionador de válvulas (1 ) composto por uma unidade de informação e operação de válvula adaptada para obter informações operacionais sobre a válvula (14); um transmissor wireless adaptado para a transmissão de um sinal de comunicação wireless compreendendo a mensagem de comunicação para a unidade central de monitoramento de válvula (6); e uma antena adaptada para transmitir o sinal de comunicação wireless. A invenção também trata de uma unidade central de monitoramento de válvula (6), um sistema de monitoramento de válvula (10), bem como um método de utilização do posicionador de válvula (1 ) para melhorar um sistema de monitoramento de válvula (10).

[0013] Porém, os documentos citados notadamente comungam de uma mesma carência, a qual se refere a necessidade de calibração manual dos posicionadores, uma vez que para indicar a posição referente a abertura total da válvula e do fechamento total da mesma, um operador ou instrumentista realiza uma operação denominada de pré-ajuste mecânico, onde é ajustado manualmente a posição referente a 50% de abertura da válvula com a posição de 50% do imã do eixo. [0014] Desta maneira, o estado da técnica se beneficiaria da introdução de um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas, o qual pode ser aplicado tanto em válvulas de controle como em outros tipos de válvulas, sendo que tal dispositivo de monitoramento e posicionamento dispensa o pré-ajuste mecânico, realizando a calibração da excursão do eixo da válvula de maneira automática, através da utilização de imãs fixados no próprio eixo da válvula, os quais permitem uma leitura precisa da posição da válvula.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0015] A presente invenção tem como objetivo apresentar um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas, aplicado em válvulas de controle e congéneres, sendo estas de simples ou dupla ação, onde tal dispositivo dispensa o pré-ajuste mecânico para calibração.

[0016] Outro objetivo da invenção é apresentar um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas que realiza uma autocalibração da excursão de movimento da válvula de controle, diminuindo assim o tempo de montagem do dispositivo e os custos com mão de obra e comissionamento em campo.

[0017] Também é objetivo da invenção apresentar um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas dispondo de construção modular com eletrónica encapsulada, provendo maior proteção ao dispositivo contra ingresso de partículas sólidas e líquidas.

[0018] Ainda é objetivo da presente invenção apresentar um dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas compreendendo uma interface local com o operador, permitindo uma maior interação entre o operador e o dispositivo no local da aplicação do mesmo.

[0019] Por fim, é objetivo da presente invenção apresentar um dispositivo para monitoramento de posicionamento de válvulas que possibilite a sua montagem em qualquer posição do eixo da válvula, resultando numa maior flexibilidade em sua aplicação.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0020] De acordo com os objetivos propostos, a referida invenção apresenta um dispositivo de monitoramento e posicionamento de válvulas o qual apresenta uma construtividade contendo imãs, sensores do tipo Hall e sistema de softwares responsável pelo equilíbrio entre o sinal de entrada e posição da haste do atuador.

[0021 ] A presente invenção possui uma bobina eletromagnética que disponibiliza uma corrente elétrica variável em função do sinal de entrada, sendo que tal corrente aumenta conforme o aumento do sinal de entrada, criando, assim, uma atração magnética entre o bico e a palheta, resultando em uma restrição entre eles, além de aumentar a pressão do dito bico.

[0022] O dispositivo de monitoramento e posicionamento de válvulas detecta a posição da válvula de controle por meio do sistema de detecção proporcionado pelo sensor do tipo Hall, o qual está eletricamente conectado a placa do microcontrolador de maneira que a haste da válvula continua a se mover até a posição adequada ao sinal de entrada ser atingida. Uma vez que a posição adequada é atingida, a placa do microcontrolador estabiliza a corrente da bobina eletromagnética e a válvula carretel fica em sua posição de equilíbrio.

[0023] A calibração e a configuração do dispositivo de monitoramento e posicionamento são realizadas pelo operador através de botões magnéticos de maneira que a aproximação de uma chave magnética aciona o modo de configuração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS a figura 1 apresenta uma vista, em perspectiva, do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas, indicando duas saídas e uma entrada de ar; a figura 2 apresenta uma vista frontal do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas; a figura 3 apresenta uma vista posterior do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas; a figura 4 apresenta uma vista lateral esquerda do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas; a figura 5 apresenta uma vista lateral direita do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas; a figura 6 apresenta uma vista superior do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvula; a figura 7 apresenta uma vista inferior do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvula; a figura 8 apresenta uma vista em perspectiva explodida do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas; a figura 9 apresenta uma vista, em perspectiva em corte longitudinal, do dispositivo para monitoramento e posicionamento de válvulas, indicando o eixo de válvula, o imã do eixo de válvula e o bico palheta; a figura 10 apresenta uma vista em perspectiva em corte do dispositivo de monitoramento e posicionamento de válvulas ressaltando o display e as chaves magnéticas indicando as suas respectivas posições; a figura 1 1 apresenta uma vista, em perspectiva, do dispositivo de monitoramento e posicionamento de válvulas com a tampa aberta, indicando o conjunto da bobina com o bico palheta, a mola de retorno e o diafragma; a figura 12 apresenta uma vista em perspectiva detalhadas dos microswitches; a figura 13 apresenta uma vista lateral, em corte transversal, ressaltando o sensor do tipo Hall, do imã do eixo da válvula e das placas de conexões; e a figura 14 apresenta uma vista, em perspectiva em corte longitudinal, do dispositivo de monitoramento e posicionamento indicando a posição interna da válvula carretel.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0024] Em conformidade com os objetivos listados e com as figuras mencionadas, a presente invenção “DISPOSITIVO PARA MONITORAMENTO E POSICIONAMENTO DE VÁLVULAS”, apresenta um dispositivo (D) para monitoramento e posicionamento de válvulas, sendo estas de simples ou de dupla ação, sendo que o dito dispositivo (D) consiste em um receptáculo (1 ) que compreende um microcontrolador (2), uma válvula carretel (3), um sensor do tipo Hall (4) e um imã (5), localizado na face superior eixo de válvula (6).

[0025] O receptáculo (1 ) do dispositivo (D) apresenta um formato substancialmente paralelepipedal, onde a sua porção superior dispõe de uma tampa (1 1 ) conectada a porção central (12) do receptáculo (1 ) por meio de quatro elementos de fixação, sendo estes preferencialmente parafusos, localizados em cada uma das quatro extremidades da dita tampa (1 1 ). A referida tampa (1 1 ) apresenta um visor em sua face superior o qual permite a visualização dos elementos mostrados pelo display hexagonal (130), localizado na placa do microcontrolador (7).

[0026] A porção central (12) do receptáculo (1 ) dispõe de uma porção lateral (1 10) onde se localizam duas saídas pneumáticas (121 a e 121 b) e uma entrada pneumática (122), além de um ou mais manómetros (123). Dita porção central (12) apresenta em sua face inferior um orifício central (124) que serve de passagem para o eixo de válvula (6).

[0027] O dispositivo (D) compreende ainda uma placa do microcontrolador (7), disposta abaixo da tampa (1 1 ) do receptáculo (1 ), sendo que a dita placa do microcontrolador (7) dispõe de um display hexagonal (130), bem como chaves magnéticas (125), preferencialmente três, posicionadas abaixo do referido display hexagonal (130), sendo que as referidas chaves magnéticas (125) são responsáveis por permitir ao usuário ou operador realizar a calibração e os ajustes necessários.

[0028] Outras vantagens condizentes com a utilização das chaves magnéticas (125) são que elas permitem ao usuário ou operador realizar os ajustes e a calibração do dispositivo (D) sem a necessidade de retirada da tampa (1 1 ), utilizando, para tanto, botões magnéticos e consequentemente contribuindo para o aumento da vida útil do dito dispositivo (D), bem como aumentando a segurança inerente ao seu funcionamento, uma vez que inibe o acesso às chaves magnéticas (125) por pessoas não autorizadas, ou seja, sem acesso aos botões magnéticos e evitando modificações indevidas nas sequências de polarização magnética dos acionamentos.

[0029] A face inferior da placa do microcontrolador (7) do dispositivo (D) dispõe de um sensor do tipo Hall (4), o qual está diretamente alinhado ao orifício de passagem (81 ) da placa de conexões (8), onde a função do dito sensor do tipo Hall (4) é trabalhar em conjunto com o imã (5) do eixo de válvula (6).

[0030] Abaixo da placa do microcontrolador (7) encontra- se uma placa de conexões (8), dispondo de ao menos duas chaves microswitch (82) e diversas conexões elétricas (83), cuja função é permitir o ajuste de limites para geração de alarmes. A placa de conexões (8) apresenta em sua porção central, um orifício de passagem (81 ) o qual possibilita a passagem do eixo de válvula (6) e consequentemente permitindo ao imã (5), localizado na face superior do eixo de válvula (6), se aproximar do sensor do tipo Hall (4).

[0031 ] O dispositivo (D), ainda em seu receptáculo (1 ), mais precisamente abaixo da placa de conexões (8), acomoda um conjunto da bobina (9) contendo uma bobina eletromagnética, um bico e uma palheta; um diafragma (20), uma mola de retorno (30) e uma válvula do tipo carretel (3). [0032] O conjunto da bobina (9) trabalha em convergência com o microcontrolador (2) de maneira que o referido microcontrolador (2), através de um algoritmo, compara o sinal de entrada coletado e o sinal de realimentação do sensor do tipo Hall (4), determinando um valor de corrente que é repassado para a bobina eletromagnética do conjunto da bobina (9), criando uma atração eletromagnética entre o bico e a palheta, restringindo a ação do bico pela palheta e aumentando a pressão exercida pelo bico.

[0033] O aumento da pressão exercida pelo bico, por sua vez, provoca um deslocamento no diafragma (20), onde esse deslocamento do diafragma (20) desloca a mola de retorno (30) e proporciona a abertura da válvula do tipo carretel (3), aumentando a pressão de ar na saída pneumática (121 a) e criando uma depressão na saída pneumática (121 b), de maneira que o aumento da pressão de ar na saída pneumática (121 a) move o eixo de válvula (6) até o microcontrolador (2) identificar que a posição correta foi alcançada. Uma vez que a posição correta do eixo da válvula (6) é alcançada, o microcontrolador (2) estabiliza a corrente elétrica enviada ao conjunto da bobina (9) de maneira que a válvula do tipo carretel (3) permaneça em equilíbrio.

[0034] A diminuição da pressão exercida pelo bico, por sua vez, resulta em um movimento contrário proporcional no eixo da válvula (6).

[0035] A leitura da posição do eixo da válvula (6) realizada por meio do sensor do Hall (4) é produzida sem contato mecânico e propicia uma captação muito precisa da posição do eixo da válvula (6) e uma geração da informação digital de forma linear, que é enviada ao microcontrolador (2) para o devido processamento.

[0036] O dispositivo (D) utiliza como sensor do tipo Hall (4) um encoder de 0 a 360 ^Q digital de 12 bits, o qual se trata de um chip de 16 pinos, modelo AS5055A, para monitorar a posição do eixo da válvula (6) sendo que tal modelo possui internamente um sensor Hall encapsulado o qual é posicionado de forma axial ao eixo da válvula (6). Este chip possui uma matriz de elementos Hall integrado, que proporciona uma alta resolução da leitura do ângulo deslocado, sem nenhum acoplamento mecânico ao eixo da válvula (6), propiciando também uma longa vida útil ao sistema devido à ausência de desgastes mecânicos. A informação da posição angular da válvula lida pelo sensor é transmitida para o microcontrolador (2).

[0037] O dispositivo (D) é projetado seguindo normas que definem requisitos para adequação à utilização em áreas com potencial risco de explosão, sendo estas muito comuns em ambientes industriais e que demandam a certificação do equipamento para operação segura. O dispositivo (D) utiliza proteção Exd, a prova de explosão, e Exi, segurança intrínseca, estes sendo dois métodos de projeto aceitos mundialmente para operarem em áreas onde a presença da atmosfera explosiva é constante.

[0038] Opcionalmente, o dispositivo (D) possibilita a configuração e calibração de seus parâmetros de funcionamento por meio de um protocolo de comunicação do tipo HART disponibilizadas através de ferramentas de interface com o usuário.

[0039] O dispositivo (D), opcionalmente ao microcontrolador (2), possibilita a comunicação da posição do eixo de válvula (6) através de uma malha de 4 a 20 mA.

[0040] O dispositivo (D) é um equipamento adaptativo, ou seja, independentemente da posição na qual ele é montado no eixo da válvula (6), o dito dispositivo (D) deve garantir que a abertura da válvula de controle esteja o mais próximo do sinal de saída coletado pelo microcontrolador (2) e para isso, ele utiliza um sistema de medição da posição do eixo de válvula (6), por meio de imãs (5), ou seja, sem contato mecânico. Portanto, a grande vantagem deste produto em relação aos posicionadores convencionais compreendidos no estado da técnica é que para realizar o posicionamento da válvula de controle eles precisam de um pré- ajuste mecânico, onde o operador/instrumentista tem que ajustar manualmente a posição de 50% de abertura da válvula com a posição de 50% do imã do eixo, possibilitando a autocalibração na válvula. [0041 ] Logo, o dispositivo (D) apresenta uma solução inovadora na qual é possível fazer a autocalibração da excursão de movimento da válvula de controle sem que seja necessário o pré-ajuste mecânico durante a montagem. Esta característica inédita proporciona economia de tempo de montagem e mão de obra, refletindo em menor custo de comissionamento em campo.

[0042] Esta função de autocalibração é possibilitada devido a uma rotina de software destinada ao tratamento da informação gerada pelo sistema de leitura da posição e a um ajuste interno feito durante a produção do equipamento que é o posicionamento do imã (5) no eixo da válvula (6), de forma que se aproveita a maior região de campo magnético estável em relação ao sensor do tipo Hall (4) montado na placa do microcontrolador (7).

[0043] Outra vantagem apresentada pelo dispositivo (D) é a sua construção modular com eletrónica encapsulada para proteção contra o ingresso de partículas sólidas e líquidas, bem como sua interface local com o operador por meio do display hexagonal (130), válvula do tipo carretel (3), manifolds para conexão pneumática posicionados nas saídas pneumáticas (121 a e 121 b) e na entrada pneumática (122); e manómetros (123) de pressão.

[0044] Também é uma vantagem apresentada pelo dispositivo (D) a possibilidade de configuração do funcionamento do equipamento através de chaves magnéticas (125), evitando assim qualquer desgaste mecânico do elemento de ajuste.

[0045] Por fim, mais uma vantagem apresentada pelo dispositivo (D) é a sua construção de forma modular e compacta que propiciam uma fácil adaptação aos espaços disponíveis para a instalação e consequente redução de custo.

[0046] Deve ficar entendido que a presente descrição não limita a aplicação aos detalhes aqui descritos e que a invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou executada em uma variedade de modos, dentro do escopo das reivindicações. Embora tenham sido usados termos específicos, tais termos devem ser interpretados em sentido genérico e descritivo, e não com o propósito de limitação.