Slides Instrumentacao Valvulas

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PROJETOS EM INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO

Eng. Marcelo Saraiva Coelho

INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULAS

GSpSc

Spv

B

E

TIC




TIPOS DE VÁLVULASOs tipos de válvulas classificam-se em

função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas deve-se subentender

tipos de corpos.Uma válvula de controle consiste

basicamente de dois conjuntos principais:• Corpo

• Atuador

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INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULASFUNCIONAMENTO DA VÁLVULA

Sinal de saída do regulador (3 psi) Sinal de saída do regulador (15 psi)

Escape

Motor ouAtuador

Mola

Haste

Indicador

Castelo Obturador

SedeCorpo

Diafragma

Válvula Aberta Válvula Fechada




POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR

FALHA

POSIÇÃODE FALHA DA

VÁLVULA

ATUADOR

OBTURADOR

(tipo demontagem)

ABERTA (AFA) FECHADA (FFA)

DIRETO

POR CIMA

INVERSO

POR BAIXO

INVERSO

POR CIMA

DIRETO

POR BAIXO

ESQUEMA

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ATUADORConstitui-se no elemento responsável em proporcionar a necessária força motriz ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle, 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. Instrumentação Dependendo basicamente do meio de produção da

força motriz, o atuador utilizado emaplicações de controle modulado,

classifica-se em cinco tipos principais:• Pneumático à mola e diafragma;

• Pneumático a pistão;• Elétrico;

• Elétrico-hidráulico e• Hidráulico.

CABEÇOTEMEMBRANA

PRATO

MOLA

CORPO




VANTAGENS•Baixo custo•Simplicidade

•Posição de segurança por falha é inerente•Necessidade de baixa pressão de ar de

suprimento•Ajustabilidade

•Facilidade de manutenção•Capacidade de operação sem a

necessidade do uso de posicionador•Resposta rápida

•Seguro em aplicações eletricamente perigosas

DESVANTAGENS•Torques limitados

•Limitação quanto à temperatura•Inflexibilidade para alterações das

condições de serviço

ATUADOR TIPO PNEUMÁTICO MOLA E

DIAFRAGMA

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ATUADOR TIPO ELÉTRICO

VANTAGENS•Compacticidade

•Aptidão para aplicações remotas

DESVANTAGENS•Alto custo

•Falta de posição de segurança por falha

•Habilidade limitada para sistemas de controle modulado

•Resposta lenta•Falta de ajustabilidade




ATUADOR TIPO PNEUMÁTICO PISTÃO

VANTAGENS•Capacidade de torque elevado

•Compacticidade•Menor peso

•Adaptabilidade às altas temperaturas do meio ambiente

•Adaptabilidade às variações dos requisitos de torque da válvula

•Resposta rápida•Seguro em aplicações eletricamente

perigosas DESVANTAGENS

•Posição de segurança por falha, requer acessórios opcionais

•Necessidade do uso do posicionador para aplicações em controle modulado

•Maior custo que o atuador tipo mola e diafragma

•Necessidade de alta pressão de ar de suprimento

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INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULASVÁLVULA DE DESLOCAMENTO LINEAR

Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve, um movimento

retilíneo, acionada por uma haste deslizante.Para cada tipo de processo ou fluído sempre temos pelo

menos um tipo de válvula que satisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideração

econômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações que dependem

do tipo de processo.




VÁLVULA DE DESLOCAMENTO ROTATIVO

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando

estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de

corpos.Uma válvula de controle consiste basicamente de

dois conjuntos principais:• Corpo

• Atuador

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INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULASClasse de

Vazamento Definição da Classe Tipos de Válvulas

CLASSE I Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou IV, porém mediante acerto entre fabricante e usuário não há necessidade de teste

Válvulas listadas nas classes II, III e IV

CLASSE II Vazamento de até 0,5 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas Globo Sede Dupla, Válvulas Globo Gaiola balanceadas. Superfície de assentamento metal – metal

CLASSE III Vazamento de até 0,1 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas listadas como pertencentes a classe II, porém possuindo uma maior força de assentamento

CLASSE IV Vazamento de até 0,01 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas Globo Sede Simples com assentamento metal – metal. Válvulas de Obturador Rotativo Excêntrico

CLASSE V Vazamento de até 5 x 10-4 cm3 por minuto de água, por polegada de diâmetro de orifício, por psi de pressão diferencial ou 5 x 10-12 m3 por segundo de água, por mm de diâmetro do orifício por bar de pressão diferencial

Válvulas instaladas na classe IV, porém utilizadas com atuadores superdimensionado para aumentar a força de assentamento.

Vazamento Máximo Permissível Diâmetro Nominal do orifício de passagem

em “

cm3 / min Bolhas / min

1 O,15 1 1 ½ 0,30 2

2 0,45 3 2 ½ 0,50 4

3 0,90 5 4 1,70 11 6 4,00 27

CLASSE VI

8 6,75 45

Válvulas Globo com assentamento composto ( soft seat ). Válvulas borboletas revestidas com sedes de elastômeros ou com anéis de vedação. Válvulas esferas com anéis de TFE. Válvulas diafragmas. Válvulas de obturador rotativo excêntrico com assentamento composto



−

.)7;)6

;)5;)4

;)3;ˆ)2

;)1

)

GuilhotinapartidoBi

DiafragmaAngularGloboGaiolaGlobo

viasseTrGloboalConvencionGlobo

linearentoDedeslocama

Esfera.deSegmento4)ntrico;eExcObturador3)

Esfera;2)Borboleta;1)

rotativoentoDedeslocam)b


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VÁLVULAS GLOBOVálvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular, de

passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica.

Sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou solda. Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do

fluído.




VÁLVULAS GLOBO SEDE SIMPLESUma válvula globo sede simples reversível o obturador é guiado na base, no topo e/ou em sua saia e sua montagem faz com que a válvula fecha ao descer a haste. A fig., mostra os mesmos componentes montados de tal forma que a válvula abra ao descer a haste. Este tipo de corpo é fabricado em tamanhos de 1/2” até 12” e em valores de pressão ASA de 600 PSI. Valores de pressão de 900 a 1.500 PSI são fabricados em tamanhos menores.

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VÁLVULAS GLOBO SEDE DUPLASe as 2 sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na posição fechada

e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a válvula. Na realidade, os orifícios são construídos com 1/16” a 1/8” um maior que o outro, no diâmetro. Esta construção é chamada “semi-balanceada“ e é usada para

possibilitar que o obturador menor passe através do orifício maior na montagem. É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”. Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo

0,5 % da sua máxima capacidade de vazão, conforme norma ANSI B16.104 a válvula tipo standard, possui um índice de

vazamento Classe II.




VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLAVálvula de concepção antiga onde possui seus internos

substancialmente diferente da globo convencional.Seu sucesso está fundamentado nos seguintes aspectos:

-facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a operação na própria instalação;--capacidade vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional;-menor peso das partes internas, resultando assim um menor vibração horizontal consequentemente menor ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas;-não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo convencionais.

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VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLA SEDE SIMPLES

Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluído quando necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado. Neste tipo de válvula o fluído entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola, onde a força do fluído tende a abrir a válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisar de uma grande força de atuação.




VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLA ANGULAR SEDE SIMPLES

Este tipo de válvula apresenta uma configuração especial, para determinadas aplicações nas quais haja necessidade de uma auto-drenagem do fluído, ou em aplicações com fluídos lamacentos ( “slurries” ), jáque possibilita uma passagem menos obstruída que os outros tipos de válvula globo convencional ou gaiola. Recentemente tem-se recomendado a utilização deste tipo de válvula em aplicações erosivas, já que neste tipo de válvula o choque das partículas sólidas sobre as partes internas é muito diminuído, e em aplicações sob efeito de “flashing” (vaporização do líquido na válvula).

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VÁLVULAS TIPO DIAFRAGMAEste tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das

outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluídos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. A válvula de controle tipo diafragma consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento. Possui como vantagem um baixo custo, totalestanqueidade quando fechada, já que o assento é composto, e facilidade de manutenção.Como desvantagem não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado em diâmetros de até 6” para efeito de aplicação em controle modelado.Outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou Teflon ), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluído em função do material do diafragma.




VÁLVULAS TIPO BI-PARTIDATrata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações

altamente corrosivas, principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se necessária uma

freqüente inspeção ou substituição dos internos da válvula. Devido a ser uma válvula utilizada em fluídos altamente corrosivos, o material do corpo é bastante especial e

portanto caro, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe, soldados ao corpo. Estes flanges, podem ser em aço carbono comum mesmo que o corpo seja de material superior. Uma desvantagem deste tipo de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha por meio de solda (pois neste caso as

metades do corpo não poderiam ser separadas para a remoção do anel da sede).

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VÁLVULAS TIPO GUILHOTINATrate-se de uma válvula originalmente projetada

para a indústria de papel e celulose, porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingindo algumas outras aplicações em indústrias químicas, petroquímicas,

açúcareiras, abastecimentos de água, etc. Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluídos pastosos, tais como massa de papel. Fabricada em diâmetros de 2” até 24” com

conexões sem flanges para ser instalada entre par de flanges da tubulação.




VÁLVULAS TIPO BORBOLETAVálvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem

reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de

rotação axial. São muito usadas em tamanhos maiores que 3” esão fabricadas em tamanhos tão pequenos quanto 1”. A válvula

borboleta consiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. O corpo

cilíndrico pode ser flangeado em ambas as extremidades, ou fabricado na forma de um anel sólido.

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VÁLVULAS TIPO ESFERADevido ao seu sistema de assentamento,

proporciona uma vedação estanque,constituindo-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas

condições de desempenho de sua principal função, (isto é, prover uma adequada açãode controle modulado) permite, ainda uma total estanqueidade quando totalmente

fechada.O corpo da válvula e do tipo bipartido (para

possibilitar a montagem dos internos), sendo

que a esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no

corpo e que fazem a função de sede. Possibilita a passagem do fluído em

qualquerdireção sem problemas dinâmicos, e possui

um curso total de 90º.




VÁLVULAS TIPO EXCENTRICO ROTATIVOPossui corpo, com extremidade sem flanges,

classe 600 lbs, sendo fabricada em diâmetros de 1” até 12” . O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do

obturador. possibilitando uma redução do torque de atuação permitindo uma operação mais estável

com o fluído entrando na válvula em qualquer sentido. Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo, sendo uma válvula de nível

de vazamento Classe IV conforme a ANSI B16.104 .

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• Globo sede Simplesa) Fabricadas geralmente como padrões em tamanhos de 1” e menoresb) Geralmente usada onde se deseja uma vedação mais estanquec) Em tamanhos de 1 1/2” e maiores, deveremos considerar o desbalanceamento de forças no obturador em relação ao atuador normalmente fornecido.

Globo sede dupla:a) Tamanho de 1” a 16”b) Não deve ser especificado se um vazamento mínimo de 1% da capacidade máxima não for tolerávelc) Para serviços severos deve-se escolher guias na base e no topod) Guia na saia é menos custoso para serviços tudo ou nada

Borboletas:a) Usada geralmente para pequenas quedas de pressãob) Econômica em grandes tamanhosc) Adequada para operar misturas sólidos-líquidos

Diafragma ou Saunders:a) Adequada para substância corrosivas e pastosasb) Inadequada para altas pressõesc) Produz fechamento estanqued) Usada geralmente em controle tudo ou nada

Válvula de três vias:a) Usar sede simples para serviços de misturab) Usar sede dupla para serviços de divisão ou proporção




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CASTELOGeralmente uma parte separada do corpo da

válvula que pode ser removida para dar acesso as partes internas das válvulas, é definido como sendo "um conjunto que inclue, a parte através

da qual uma haste do obturador de válvula move-se, e um meio para produzir selagem contra

vazamento através da haste". Ele proporciona também um meio para montagem

CASTELO NORMALÉ o castelo padrão utilizado para as aplicações

comuns nas quais a temperatura está entre –18ºC à232ºC. Esta limitação é devido ao material da gaxeta,

já que sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima ao fluido.




CASTELO ALETADOÉ utilizado quando a

temperatura do fluido controlado é superior a 200ºC.

Deve ser suficiente para reduzir a temperatura ao valor indicado

ou no máximo 250ºC de resfriamento. Caso a válvula

opere com vapores condensáveis o aletamento não reduzirá a

temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois uma vez atingida esta temperatura

haverá condensação de vapor e o líquido fluirá para a tubulação,

sendo substituída por uma outra porção de vapor com

temperatura mais elevada.

CASTELO ALONGADOSão utilizados para impedir o congelamento das gaxetas em

aplicações de baixas temperaturas. Devem ser utilizadas para

temperatura inferiores a 5ºC e devem ser suficientemente longos

para que a temperatura dasgaxetas sejam mantidas a 25ºC ou

acima.

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Material da Serviço Pressões Lubrificação Tipo de Castelo Gaxeta Norm. Longo Extra-

longo

Teflon Limitado àqueles

fluidos não atacam o

teflon e aço inox tipo 3/6 (material da

mola da gaxeta).

Líquidos e Gases secos -

1500 psi

Vapor - 250 psi

Não -18 à 232ºC

-45 à 430ºC

-268 à 430ºC

Amianto com Teflon

Todo excepto Alcalis

quentes e Ácido

hidrofluorídrico quente.

Líquidos e Gases secos

6500 psi Vapor 250

psi

opcional, porém

recomendada

-18 à 232ºC

-45 à 430ºC

-268 à 430ºC

Amianto grafitado com fios de Inconel

Vapor ou Petróleo

Qualquer fluido

6500 psi

Sim -18 à 232ºC

-45 à 540ºC

-45 à 540ºC





CONEXÕESAs válvulas são presas à tubulação por meio do tipo de conexões localizadas nas

extremidades do corpo das válvulas. Tais tipos podem ser:Rosqueadas;Flangeadas;

Sem flanges;Soldadas.

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INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULASCONEXÕES

As conexões das extremidades do corpo, tipo rosqueadas são limitadas à utilização, em apenas válvulas de pequeno porte (no máximo até 2” de diâmetro) e para serviços auxiliares não corrosivos em pressões de até 600 PSI. O tipo de conexão rosqueada mais comumente utilizada é o normalizado pela ANSI B.2.1 também denominada de rosca N.P.T. O tipo de

conexão mais amplamente utilizado é sem dúvida alguma a flangeada, que pode ser executada conforme as normas ANSI, DIN ou ISO, embora prevaleça, aqui no Brasil, uma predominância quase que total dos flanges conforme norma ANSI. Em função dos limites combinados de pressão e temperatura, doravante aqui denominados por apenas classe, as conexões flangeadas das extremidades da válvula podem ser classe 150, 300, 600, 900,

1500 e 2500 lbs. Entende-se por classe a pressão nominal admissível de trabalho (em PSI), sem choques a uma determinada temperatura.



Distância do Face a Face (mm)Diâmetro daVálvula(poleg.)

Classes125 lbs (Ferro)150 lbs (Aço)

Classes250 lbs (Ferro)300 lbs (Aço)

Classe600 lbs (Aço)

1/2

3/4

1

1.1/2

2

2.1/2

3

4

6

8

10

12

14

16

_

_

184

222

254

276

298

352

450

542

673

736

889

1016

190

194

197

235

267

292

317

368

473

568

708

774

927

1057

203

206

210

251

286

311

337

394

508

610

752

820

972

1108


A distância do face a face entre os flanges

das válvulas com conexões flangeadasaté classe 600 lbs

inclusive é normalizada pela ISA RP 4.1. , exceção feita às

válvulas tipo Diafragma e Angular.Na tabela são dadas as

medidas dessa distância do face a

face conforme Norma ISA RP 4.1.

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GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO VARIÁVEL DO PROCESSO A

SER CONTROLADA

CONDIÇÕES DO

PROCESSO

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A

SER UTILIZADA

Nível Líquido

Queda de pressão constante Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 200% da queda de pressão à vazão mínima Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 200% da queda de pressão à vazão mínima

Linear

Linear

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Linear

Abertura Rápida




GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO VARIÁVEL DO PROCESSO A

SER CONTROLADA

CONDIÇÕES DO

PROCESSO

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A

SER UTILIZADA

Pressão

Líquido Gases. Sistemas rápidos: volume pequeno, trecho de menos de 3 metros de tubulação à jusante da válvula de controle Gases. Sistemas lentos: volume grande ( o processo possue um receptor, sistema de distribuição ou linha de transmissão excedendo à 30 metros de tubulação à jusante). Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima Gases. Sistemas lentos: volume grande Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima


Igual Porcentagem/

Parabólica Modificada

Linear



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VARIÁVEL DOPROCESSO A SER

CONTROLADA

CONDIÇÕES DO

PROCESSO

CARACTERÍSTICADE VAZÃO A

SER UTILIZADA

Vazão

Sinal do elemento primário de medição proporcional aofluxo.Grandes variações de fluxoa) Elemento primário instalado em série com a válvula de

controleb) Elemento primário instalado no contorno da válvula de

controle

Pequenas variações ao fluxo, porém grandes variações daqueda de pressão com o aumento da vazão.a) Elemento primário instalado em série com a válvula de


controle

Sinal do elemento primário de medição proporcional aoquadrado do fluxo.Grandes variações de fluxoa) Elemento primário instalado em série com a válvula de


controle

Pequenas variações de fluxo, porém grandes variações dequeda de pressão com o aumento da vazãoa) Elemento primário instalado em série com a válvula de


controle

Linear

Linear

Igual Porcentagem/Parabólica Modificada


Linear








O posicionador é um dispositivo que transmite

a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no valor exato

determinado pelo sinal de controle. Ele compara o

sinal que recebe do controlador com a posição

da haste da válvula através do seu braço de

realimentação. Se a haste não está corretamente posicionada, então ele manda para o atuador mais ar (ou retira mais

ar) até que acuse a correta posição da haste.

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Relé

Fole

Bocal

Posicionador

Alimentação20 psi

Sinal do Regulador3 a 15 psi

Alavanca de realimentação mecânica(ao mesmo tempo, palheta)

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stem feedback

inputsignal

pressurefeedback

output pressure

4 - 20 mA

µ basedµ basedP W BP W B

relayrelay

I/PI/P

HART




Chaves indicadoras de posiçãoSão utilizadas para indicação remota da posição da haste da válvula.

Essa indicação fornecida pela chave indicadora é do tipo duas posições, ou seja, possibilita a indicação, por exemplo, da válvula fechada e válvula aberta. São

montadas diretamente na torre do atuador (caso seja atuador do tipo deslocamento linear) ou no adaptador (caso seja atuador tipo rotativo).

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INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULASConversores eletropneumáticos.

Estes dispositivos convertem o sinal elétrico da saída de um controlador eletrônico, em sinal pneumático compatível com o atuador pneumático da válvula de controle. Esses

transdutores tanto podem ser corrente para pressão (I/ P), ou voltagem para pressão (E/P). O sinal de entrada de corrente é

aplicado a um eletroímã. O campo magnético criado e a corrente produzem uma força que

desloca a palheta, alterando a posição relativa entre a palheta e o bocal, aumentando ou

diminuindo o sinal de pressão para a válvula de controle.




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