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18/05/2016

Capítulo 4

Elementos finais de controle

Válvulas de controle

Dispositivo que varia a quantidade de energia ou material (agente de controle) a ser transportado, emresposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável controlada em um valor pré-determinado.

É o elemento final de controle mais usado em sistemas de controle industrial.

Uma válvula de controle funciona como uma

resistência variável em uma tubulação.

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ControladorMedição

(temperatura)

Conversor

Sinal de controle

realimentação

Referência de

temperatura

Elemento final de controle

VÁLVULA

Um exemplo de sistema automático de controle:

Os elementos finais de controlefornecem a necessária amplificaçãode forças entre os baixos níveis deenergia, fornecidos peloscontroladores, e os maiores níveisde energia necessários paradesempenho de suas funções deadequação do fluxo de fluidos emum processo.


Partes de uma válvula

CORPO

ATUADOR

Atuador Pneumático Tipo Mola Diafragma

Atuador Pneumático Tipo Pistão

Atuador Pneumático Dupla Ação

Atuador Elétrico

Atuador Hidráulico

ATUADOR (pneumático, elétrico e hidráulico)

Elemento responsável em proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento da válvula. Sendo parte

integrante do sistema de controle, quando corretamente selecionado, deve proporcionar à válvula meios de

operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na

válvula através da ação do fluído de processo.

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Atuador Pneumático Tipo Mola Diafragma

� Atuador acionado através do ar comprimido e o retorno à posição original é feito atravésde mola. Normalmente ele provoca um deslocamento linear na haste da válvula.


Atuador Pneumático Tipo Pistão

� Atuador acionado também através do ar comprimido e o retorno à posição original é feitoatravés de mola. Normalmente ele provoca um deslocamento de rotação na haste daválvula.

Pistão ou

êmbolo

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Atuador Pneumático Dupla Ação

� Atuador acionado através do ar comprimido e tanto a ida do embolo como o retorno domesmo a posição original é feito através do ar comprimido. Normalmente ele provoca umdeslocamento rotativo na haste da válvula.

Pistão ou

êmbolo


Atuador Elétrico

� Este tipo de atuador é na verdade um motor que tem um excitador (driver) que recebe, porexemplo, um sinal de 4 a 20 mA e aciona o deslocamento do obturador.

Motor e seu

driver

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Atuador Hidráulico

� Este tipo de atuador é utilizado quando a força necessária para movimentar o obturador émuito alta, normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

Elemento que

impõe uma

resistência ao fluxo

de fluído.


Corpo da válvula

Parte que executa a ação de controle permitindo maior ou menor fluxo de fluído no seuinterior, conforme a necessidade do processo. O corpo é formado basicamente pelosseguintes subconjuntos:

� internos� castelo� flange inferior

É a parte da válvula que entra em contato direto com o fluído do processo.

Deve satisfazer os requisitos de: pressão, temperatura e corrosão do fluído.

As válvulas são classificadas a partir de seu tipo de corpo.

Os principais tipos se classificam em dois grupos: as de deslocamento linear (translação) eas de deslocamento de rotação.

Não necessariamente todos os

subconjuntos aparecem

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Haste

Nas válvulas com deslocamento linear, a peça móvel vedante (obturador) é deslocada(acionada) por uma haste.


Válvulas globo sede simples

Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, formato globular, de passagem retainterna de sede simples. É a que tem maior uso na indústria.

� Obturador é guiado duplamente (na parte superior einferior).

� Para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-separa baixo.

� A montagem é denominada de normalmente aberta.

Formato globular

(aproximadamente esférica)

obturador

haste

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Válvulas globo sede simples

Outro posicionamento do obturador.

� O obturador está invertido.� Para a válvula abrir o obturador tem que descer.� Esta é uma válvula normalmente fechada.

haste

obturador


Válvulas globo sede simples (convencional)

Outra válvula com sede simples.

� O obturador é guiado apenas na parte superior.� Ao descer, a válvula só pode fechar, não existindo a

possibilidade do obturador ser instalado em posição invertidaou por baixo.

� Essa válvula, em relação ao movimento do obturador de cimapara baixo, só pode fechar.

haste

obturador

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� A válvula ser normalmente aberta ou fechada é um fator muito importante na escolha da válvula.� Na posição de descanso, ou seja, sem força de atuação, a válvula pode ficar completamente

aberta ou completamente fechada.� Uma válvula normalmente aberta ficará totalmente aberta em caso de falta de suprimento de

energia para operação do atuador.� No caso de uma válvula normalmente fechada ocorrerá o inverso.

� Principais características da válvula globo sede simples:

� proporciona uma boa vedação e possui obturador estaticamente não balanceado.� pode-se atingir um vazamento, quando a válvula estiver totalmente fechada, de no

máximo até 0,01% da sua capacidade de vazão máxima (assentamento metal-metal).

� Os índices de vazamento obtidos, estando a válvula de controle totalmente fechada, sãopadronizados internacionalmente.


� Atuação de forças dinâmicas provenientes do fluido agindo contra o obturador de uma válvulaglobo sede simples.

� Devido ao obturador não ser balanceado serequer uma força de atuação suficientementegrande para vencer as forças estáticas do fluidoagindo sobre o obturador e poder movimentá-lo..

A partir da diferença de pressão (P1-P2) e da área ocupada

pelo obturador pode-se determinar a força estática de

atuação do fluído sobre o obturador.

Pode-se atingir um menor índice de vazamento (sem

aumentar a força de assentamento do atuador), utilizando

a construção de assentamento composto, ou seja, metal-

borracha, metal-teflon, etc.

Quanto à direção do fluxo em relação a posição do

conjunto obturador e anel de sede, o fluido deve entrar na

válvula tendendo a abrí-la. Uma flecha estampada no

corpo indica o sentido de montagem da válvula na

tubulação.

Existem situações onde necessita-se a instalação da

válvula sede simples com o fluxo tendendo fechá-la. Um

exemplo disso é o caso de alta pressão diferencial.

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Válvulas globo sede dupla

O fluxo passa através de duas passagens ou orifícios..

� Na primeira figura tem-se uma válvula comobturador que desce para fechar, enquanto quena segunda figura tem-se uma desce para abrir.

� A válvula sede dupla é portanto de corporeversível.

hastes

obturadores


� A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável, semnecessitar de uma força de atuação tão grande quanto a válvula sede simples.

� As válvulas sede dupla apresentam umvazamento, quando totalmente fechadas, de nomáximo 0,5% da sua máxima capacidade devazão.

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Válvula globo sede

simples

Válvula globo sede

dupla



Válvulas globo de 3 vias

Adaptação das válvulas globo convencionais para utilização em aplicações de mistura ouseparação de fluidos.

Válvula tipo convergente

Fluidos quaisquer e separados entram pelas vias (2) e (3),misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindopela via (1) já misturados.

A proporção da mistura é determinada pela posição do obturadorrelativa às duas sedes.

Um deslocamento do obturador para cima faz diminuir a entradado fluido por (2), aumentando simultaneamente a entrada dofluido por (3).

haste

obturador

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Válvula tipo divergente

O fluído entra pela via (1) e sai em proporções definidas pelasvias (2) e (3).

As válvulas de 3 vias, devido a sua configuração e utilização,não apresentam vedação completa, pois, enquanto se fecha umorifício, o outro fica completamente aberto.

haste

obturador


Válvulas globo tipo gaiola

A válvula tipo gaiola apresenta uma concepção de internos diferente da globo convencional.

� O fluido entra por baixo do anel da sede, passandopelo orifício e pelas janelas da gaiola.

� Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de umaválvula não balanceada. A força do fluido tendendoabrir a válvula, não é balanceada e por issoprecisarmos de uma grande força de atuação.

� Não sendo uma válvula de corpo reversível odeslocamento do obturador de cima para baixo fechaa válvula, ou seja, desce para fechar.

anel

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Válvulas globo tipo gaiola balanceada

Construção basicamente similar à anterior.

� O obturador é balanceado dinamicamente (comoacontece na válvula globo sede dupla) devido aoorifício interno no obturador, que faz com que apressão do fluido comunique-se com ambos os ladosdo obturador, formando-se assim um balanceamentode forças.

� Necessita de menor força de atuação.� O fluido neste tipo de construção entra por cima.� Como na globo convencional sede dupla, a válvula

tipo gaiola balanceada, não apresenta boa vedação.


Válvula tipo diafragma (Saunders)

� Utilizada no controle de fluídos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos comsólidos em suspensão.

� Consiste de um corpo cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragmamóvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento da válvula.

� Apresenta voa vedação, baixo custo.� Pouca vazão e alta força de atuação.

Diafragma

(membrana elástica)

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Válvula tipo guilhotina

� Sua principal aplicação está no controle de fluídos pastosos, tais como massa de papel.


Válvulas rotativas

Válvulas que apresentam:

� baixo peso (em relação aos outros tipos de válvulas);� desenho simples;� capacidade relativa maior de fluxo; e� baixo custo.

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Válvula tipo borboleta.

� Válvula rotativa com corpo de duas vias de passagem reta, com internos em sede simples eelemento vedante constituído por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo derotação axial.

� Consiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente aoeixo do cilindro.

� Requerer força considerável para sua operação em altas pressões diferenciais.


� As forças de torção no eixo de uma válvula borboleta aumentam com o abrir da válvula, atingindoum valor máximo em um ponto entre 70 a 75o. Ela é não balanceada.

� Para maior estabilidade na operação de estrangulamento, a válvula borboleta não é aberta a umângulo superior àquele em que a curva de torque muda sua inclinação. Isso limita a aberturamáxima em cerca de 75o da vertical.

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Válvula tipo esfera.

� Recomendada para trabalhar com liquidos viscosos, corrosivos e abrasivos, além de gases evapores.

� O corpo é do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), sendo que a esfera giraem torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no corpo e que fazem a função desede. Possibilita a passagem do fluído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possuium curso total de 90º.


� Devido ao seu sistema de assentamento proporciona uma vedação estanque (total estanqueidadequando totalmente fechada).

� A válvula esfera é a de maior capacidade de fluxo, devido a sua passagem ser praticamente livre,sem restrições. Em relação ao tipo globo, chega a alcançar de 3 a 4 vezes maior vazão.

� Devido a sua geometrica de internos possui uma alta tendência a cavitar.� As forças devidas ao fluído tendem a fechar a válvula e portanto é uma válvula não balanceada.

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Válvula tipo obturador rotativo - excêntrico

� Tem sido usada em apenas alguns processos industriais, tais como de papel e celulose.� O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do mesmo.


Controle do atuador da válvula

Seja o diagrama de instrumentação abaixo

simbologia

---------------- sinal elétrico (corrente 4 a 20mA)

__________ sinal pneumático (3 a 15psi)

__________ sinal genérico (corrente ou pressão)

válvula globo com

atuação pneumática

conversor (transdutor)

corrente/pressão

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m(t) = sinal de controle (saída de controle)

%CO = sinal de controle relativo (percentual)

O atuador da válvula converte o sinal m(t) em

uma posição vp(t) da válvula.

vp(t) é usualmente expressa em uma fração entre

0 e 1.

0 = válvula fechada (fluxo nulo)

1 = válvula completamente aberta (fluxo máximo)

Uma variação de CO% de 1% corresponde a uma

variação da posição de 0,01.


Condições de segurança

(a) Fail-Closed (FC) ou Air-to-Open (AO) : no caso

de uma falha e não houver sinal de pressão de

controle a válvula fica fechada.

(b) Fail-Open (FO) ou Air-to-Close (AC): no caso

de uma falha em não houver sinal de pressão

de controle a válvula fica aberta.

Dependendo do processo um ou outro tipo deve

ser utilizado em pontos específicos do processo

para garantir segurança no caso de falhas.

Fórmulas para o regime permanente da válvula:

1001 : close - to-air

100 :open-to-air

mv

mv

p

p

−=

=

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Condições de segurança (processo de separação líquido-vapor (flash drum))

Controlador de fluxo

sensor-transmissor

de vazão

(placa de orifício

com flanges)

Controlador de pressão

Controlador de nível

sensor-transmissor

de nível

(flutuador externo)

sensor-transmissor

de pressão

1

3

2

Para segurança:

Válvula 1 – (FC ou AO)

Para não vaporizar mais líquido.

Válvula 2 – (FC ou AO)

Para manter líquido armazenado

Válvula 3 – (FO ou AC)

Para não aumentar a pressão de vapor.


Capacidade de fluxo de uma válvula (especificação do fabricante)

Definição. Capacidade de fluxo de uma válvula de controle (Cv): Fluxo de um galão americano porminuto (gpm) de água que flui através de uma válvula a uma queda de pressão de 1psi através damesma.

Ex. Uma válvula com Cv=25 permite que 25gpm de água atravesse a válvula submetida a 1 psi.

Definição. Fluxo de líquido (f). Sabe-se que uma válvula é um orifício com área ajustável para o fluxo.Tem-se:

f

vv

G

pCf

∆=

f = fluxo líquido (U.S. gpm)∆pv = queda de pressão ao longo da válvula (psi)Gf = gravidade específica do líquido sob condição de escoamento (razão entre a densidade do fluídoe a densidade de um líquido de referência (água), também chamada densidade relativa)

Obs. Podem ser usadas correções na fórmula em função de certos tipos de fluídos.

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Definição. Fluxo compressível (fs). Modelo obtido a partir do modelo para líquidos, mas comcorreções em função da temperatura e pressão. Cv permanece o mesmo descrito anteriormente.

Tem-se:

( )31 148,0836 yyGT

pCCf fvs −=

fs = fluxo de gás em ft3/h à condição padrão de 14,7 psia e 60oF.G = gravidade específica do gás (em relação ao ar)T = temperatura na entrada da válvula oR (=oF+460)Cf = fator de fluxo crítico. Depende da válvula e varia em uma faixa de 0,6 a 0,95.p1 = pressão na entrada da válvula, em psia.y = expressa os efeitos da compressibilidade no fluxo, dado por.

1

63,1

p

p

Cy v

f

∆=

onde, ∆pv = p1 – p2, sendo p2 a pressão na saía da válvula (psia)


Dimensionamento de válvulas de controle. As fórmulas apresentadas anteriormente podem serutilizadas (normalmente fornecida pelos fabricantes).

Para o Cv calculado consultam-se catálogos de fabricantes e escolhe-se a válvula adequada (aquelacom Cv de 50 a 100% acima do valor nominal calculado)

Para o caso de fluxo compressível também se necessita:

• Pressão de entrada da válvula• Temperatura de operação• Gravidade específica do gás.

( )31 148,0836 yyGT

pCCf fvs −=

1

63,1

p

p

Cy v

f

∆=

Para o dimensionamento de fluxo de líquido necessita-se:

• Fluxo líquido através da válvula.• A queda de pressão através da válvula.• Gravidade específica do líquido.

A partir daí calcula-se Cv.

f

vv

G

pCf

∆=

v

f

vp

GfC

∆=

Usando valores nominais:

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Características das válvulas de controle.

O coeficiente Cv depente da posição da válvula: vp = 0 → Cv=0 e vp = 1 → Cv=Cvmax .

Essa variação de Cv permite uma regulação contínua do fluxo.

Curva característica da válvula:

A característica depende de como a área doorifício da válvula varia com a posição daválvula.

Abertura rápida é útil apenas em controle on-off

ou em válvulas de alívio. O outros dois tipospodem ser usados em controle suave.

pvmaxpv .vC)(vC

linear

= 1-v

vmaxpvp.C)(vC

50)( iguais nsporcentage

α

α

=

=


Modelos:

pvmaxpv .vC)(vC

linear

=1-v

vmaxpvp.C)(vC

50)( iguais nsporcentage

α

α

=

=

Modelo linear: adequado quando o processo é linear e a queda de pressão na válvula praticamentenão varia com o fluxo.

Modelo porcentagens iguais: adequando quando o processo e os transmissores são não lineares(diminuição do ganho com o fluxo), pois nesse modelo a válvula pode compensar a não linearidadedo processo (aumento do ganho com o fluxo).

No modelo porcentagens iguais:

• se vp = 1 → Cv = Cvmax e se vp = 0 → Cv = Cvmax/α = 2% de Cvmax ≠ 0

• incremento relativo em vp causa incremento relativo igual em Cv.

Ex. Variação de 1% em vp indo de 20% a 21% causa variação de 1% no fluxo em relação a seu valorem 20%, então variação de 1% de vp indo de 60% a 61% causa variação de 1% no fluxo em relaçãoa seu valor em 60%.

α→ Parâmetro de alcance

(50 ou 100)

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Alcance da válvula de controle.

É uma medida da faixa de fluxo que a válvula pode controlar.

10%)(ou 5% de posição na válvulacom fluxo

90%)(ou 95% de posição na válvulacom fluxo Alcance =

Máximo fluxo adotado na prática

Mínimo fluxo adotado na prática

Se a queda de pressão ao longo da válvula é independente do fluxo → Fluxo é proporcional a CV.

190,05

0,95 Alcance ==

No caso de porcentagens iguais:

100 para 63,1 e 50α para 33,8 Alcance 9,0

95,0

05,0

=====−

−

ααα

α

No caso abertura rápida o alcance fica em torno de 3.


Característica de uma válvula instalada em um processo.

Seja uma válvula instala em série com uma tubulação e equipamento (na fig. um trocador de calor)

∆pL = queda de pressão ao longo do processo e tubulação

∆pv = queda de pressão ao longo da válvula

∆po = queda de pressão no conjunto

f = fluxo

No caso de uma válvula isolada foi visto que (fluxo líquido)

f

vv

G

pCf

∆=

Para uma dada diferença de pressão (∆pv) f varia de forma linear com Cv.

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∆pL = queda de pressão ao longo do processo e tubulação devido ao atrito

∆pv = queda de pressão ao longo da válvula devido à resistência imposta pelo orifício

∆po = queda de pressão no conjunto

f = fluxo

Se ∆pL for bem maior que ∆pv o que ditará o fluxo é ∆pL então como consequência ∆pv variará, assimo fluxo na válvula não acompanhará Cv como no caso de válvula isolada.

Assumamos que ∆pL varia com o quadrado do fluxo e que a queda de pressão total ∆po independe dofluxo.

∆po pode ser obtido com a válvula totalmente fechada (∆po = ∆pv), pois ∆pL= 0 devido ao fato do fluxoser nulo e a queda de pressão devido ao atrito no processo e tubulação ser nula.

Assim

2fGkp fLL =∆

∆pL = queda de pressão ao longo do processo e tubulação devido ao atrito

f = fluxo

kL = coeficiente de atrito (constante) do elementos em série com a válvula (processo, tubulação, etc)

Gf = gravidade específica do líquido (em relação à água).


Como já vimos

2

2

v

fvC

fGp =∆

Então para∆po

2

2

1fGk

Cppp fL

v

Lvo

+=∆+∆=∆

e para f (isolando)

f

o

vL

v

G

p

Ck

Cf

∆

+=

21

Este é o modelo para uma válvula instalada no caso de fluxo de líquidos.

Se kL = 0, ∆po = ∆pv , que é o modelo que já tínhamos da válvula isolada (queda de pressão na válvula

constante).

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Para fluxo nominal em uma queda de pressão nominal→2fG

pk

f

LL

∆=

No caso de máximo fluxo

f

o

vL

v

G

p

Ck

Cf

∆

+=

2

max,

max,

max

1

O fluxo de forma relativa em relação ao valor máximo fica

2

2

max,

max,max 1

1

vL

vL

v

v

Ck

Ck

C

C

f

f

+

+=

Esse fluxo normalizado independe de ∆po .

Obs. Essa análise foi feita para fluxo líquido. No caso de fluidos compressíveis os modelos sãocomplexos e são normalmente resolvidos computacionalmente.

Forma de obter o

coeficiente de atrio


Ganho e função de transferência de uma válvula de controle.

� Ganho corresponde à variação da saída de um elemento dividida pela variação da entrada.� No caso de uma válvula de controle a saída é a variável fluxo e a entrada é dada por CO%.

=

%COgpm

em )(

)(

tdm

tdfkv

Pela regra da cadeia

vp

vp

vdC

df

dv

dC

dm

dv

dm

dfk ==

Para vp(t) em relação a m(t)

( )

±=

COdm

dvp

%

vde fração em

100

1 p + para válvula FC ou AO

- para válvula FO ou AC

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Para Cv em função de vp

( ) ( ) v

v

v

p

v CCdv

dCp ααα lnln

1

max, ==−

max,v

p

v Cdv

dC=

Caso linear

Caso de porcentagens iguais

(linearizado)

Para f em função de Cv, depende das característica da instalação da válvula. Temos dois casos:

� Queda de pressão na válvula constante.� Queda de pressão na válvula variável.


Para queda de pressão na válvula constante (queda de pressão na tubulação e processo pequena)

f

vv

G

pCf

∆=

f

v

v G

p

dC

df ∆=

Ganho para válvula linear

=

∆±=

%COgpm

em 100100

1 maxmax,

f

G

pCk

f

vvv

constante

Ganho para válvula com característica de porcentagens iguais

( )

±=

∆±=

%COgpm

em 100

lnln

100

1f

α

G

pCk

f

vvv α

Proporcional ao fluxo

quando a queda de

pressão na válvula é

constante

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Para queda de pressão na válvula variável (queda de pressão na tubulação e processo alta)

f

o

vL

v

G

p

Ck

Cf

∆

+=

21

( )( )

f

ovL

f

o

vL

vLvLvvL

v G

pCk

G

p

Ck

CkCkCCk

dC

df ∆+=

∆

+

+−+=

−

−

23

2

2

5,022

11

11

Ganho para válvula linear

±=

%COgpm

em 100

max,

v

v

vdC

dfCk O ganho diminui à medida que a válvula abre, porque

Cv aumenta.

Ganho para válvula com característica de porcentagens iguais

( )

+±=

∆

+

±=%CO

gpm em

1100

ln

1100

ln2

23

2vLf

o

vL

vv

Ck

f

G

p

Ck

CK

αα

O ganho é menos sensível à

abertura da válvula, porque f

e Cv aumentam (um

compensando o outro)


Função de transferência da válvula.

Pode ser descrita por um atraso de primeira ordem (sistema de primeira ordem)

1)(

+=

s

KsG

v

vv

τ

Kv é o ganho estático (gpm / %CO)τ é a constante de tempo do atuador da válvula (minutos)

No caso de processos onde as constantes de tempo são grandes, bem maiores que τ pode-sedesprezar a dinâmica de Gv(s) e considerar apenas seu ganho estático na caracterização do modeloda válvula.

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