Princípio de funcionamento da válvula piezoelétrica e sua aplicação em localizadores inteligentes de válvulas

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Os componentes pneumáticos de um localizador de válvulas inteligente são geralmente compostos por um conversor eletro-pneumático e um amplificador pneumático. Os conversores elétrico-pneumáticos utilizam principalmente dois tipos de tecnologia: a tecnologia de válvulas piezoelétricas, que se baseia no efeito piezoelétrico de cristais com estrutura assimétrica; essas válvulas recebem sinais digitais (pulsos elétricos) para gerar uma saída pneumática em duas posições ； A tecnologia de conversor I/P, baseada em princípios eletromagnéticos e em mecanismos de bocal/para-choque pneumático, geralmente recebe sinais elétricos analógicos para gerar uma saída pneumática contínua. Os localizadores inteligentes de válvulas SIPARTPS SP2 da empresa alemã Siemens e ND9000 da empresa americana NelesMetso utilizam conversores eletro-pneumáticos com estrutura de válvula piezoelétrica ； Já os posicionadores de válvulas da Fisher, nos EUA, como o DVC6000; do SAM-SON, na Alemanha, como o 373X; e da Asahi Kasei, no Japão, como o SVP3000, utilizam conversores eletro-pneumáticos com estrutura de defletor de jato. Os conversores eletro-elétricos dessas duas estruturas representam a tendência atual nos localizadores inteligentes em nível internacional. A válvula piezelétrica é um tipo de válvula de controle moderna que utiliza o efeito piezelétrico dos materiais piezelétricos para acionar a válvula. Ela possui vantagens como alta precisão, resposta rápida, baixo consumo de energia, longa vida útil e estrutura compacta. São apresentadas as estruturas e os processos de funcionamento de alguns dos válvulas piezoelétricas mais utilizadas, bem como a estrutura do sistema de tubulações dos posicionadores inteligentes de válvulas que contêm válvulas piezoelétricas. Como exemplo, é utilizado o posicionador inteligente de válvulas SIPART SP2 da Siemens, para explicar o princípio de funcionamento dos posicionadores inteligentes de válvulas que empregam tecnologia piezoelétrica. 1. Estrutura e princípio de funcionamento da válvula piezelétrica yunrun.com.cn/tech/2210.html A válvula piezelétrica funciona com base no princípio do efeito piezelétrico inverso. Seus principais vantagens são o baixo consumo de energia e potência (a corrente de acionamento é de apenas 10 mA), tamanho compacto, resposta rápida e alta durabilidade. Além disso, é fácil realizar a digitalização total do posicionador da válvula. Atualmente, os componentes piezoelétricos utilizados nos atuadores de válvulas inteligentes são, em sua maioria, produzidos pela empresa alemã Hoerbiger. São utilizadas principalmente as válvulas piezoelétricas da série P9 e os componentes piezoelétricos da série P20. Os componentes piezoelétricos usados no PS2 da Siemens também são fornecidos pela Hoerbiger. Tomando como exemplo a válvula piezoelétrica da empresa Holbig, apresentamos sua estrutura e princípio de funcionamento. ①Válvula piezoelétrica de ação direta. O princípio da válvula piezoelétrica consiste na utilização da deformação de materiais piezoelétricos sob a ação de um campo elétrico, para abrir e fechar a entrada de ar da válvula pneumática. A estrutura da válvula de comutação de ação direta em miniatura é mostrada na Figura 1: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160037223794.png. Figura 1: Estrutura e princípio de funcionamento da válvula piezoelétrica de ação direta. A parte curva localizada no meio da válvula piezoelétrica é, na verdade, uma placa feita de material piezoelétrico. A estrutura da placa piezoelétrica consiste em um cristal piezoelétrico formado pela união de duas folhas finas de metal elástico. Em suas duas superfícies de funcionamento, são aplicados revestimentos a vácuo para criar dois eletrodos. A deformação da placa piezoelétrica sob a ação de um campo elétrico é utilizada para realizar a comutação de um interruptor de dois estados em circuitos pneumáticos de pequeno porte. Quando o cristal piezelétrico não está conectado à eletricidade, a entrada de ar comprimido 1 fica fechada. Nesse caso, a saída 2 fica conectada ao orifício que permite a passagem do ar atmosférico 3. A pressão no lado de saída é igual à pressão atmosférica, o que significa que a válvula está fechada ； Quando o cristal piezelétrico é energizado, o cristal da camada superior se contrai, enquanto o cristal da camada inferior se estica. A deformação mecânica resultante é de algumas dezenas de micrômetros. O orifício 3 fica fechado, e o ar comprimido flui do orifício 1 para o orifício 2, gerando um sinal de pressão, o que equivale ao funcionamento de uma válvula aberta. A curvatura da placa piezelétrica está relacionada à tensão de entrada; o tempo de resposta é inferior a 2 ms. A tensão de histerese para a ação do interruptor de dois estados é de aproximadamente 4 V. As válvulas piezelétricas também podem ser fabricadas no tipo de saída proporcional, mas, devido ao grande desvio entre as tensões de operação em direções opostas (uma diferença de aproximadamente 2V), elas são raramente utilizadas nos componentes pneumáticos dos posicionadores inteligentes de válvulas. ②Válvulas piezoelétricas com amplificação de potência – As válvulas piezoelétricas de ação direta permitem a conversão de sinais elétricos em sinais pneumáticos. No entanto, nos posicionadores de válvula, é necessário amplificar os sinais pneumáticos para acionar o mecanismo de controle da válvula. Para resolver esse problema de amplificação dos sinais pneumáticos, os fabricantes desenvolveram válvulas piezoelétricas com amplificação de potência. A estrutura interna e o princípio de funcionamento das válvulas piezoelétricas da série P20 são mostrados na Figura 2: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160050443785.png A Figura 2 ilustra a estrutura e o princípio de funcionamento das válvulas piezoelétricas de tipo direto. A P20 é composta por uma placa piezoelétrica de tipo direto P9, um amplificador pneumático (formado por câmara de ar, membrana e núcleo da válvula), um redutor de pressão e um filtro, entre outros componentes. A estrutura do circuito de ar é semelhante à de uma válvula eletromagnética de dois vias e três posições, possuindo uma saída para o fluxo de ar, uma entrada de ar (conectada ao atuador) e uma saída de ar (conectada à atmosfera). A tensão de operação é de 24VDC, o tempo de resposta é inferior a 20ms, a pressão do gás fica entre 120-800kPa, e a capacidade máxima de fluxo de gás é de 7,8 Nm3/h. Na Figura 2, o lado esquerdo mostra o estado do circuito de ar quando está desligado, enquanto o lado direito mostra o estado do mesmo quando está ligado. Quando a válvula piezoelétrica é energizada, as placas piezoelétricas se ativam, permitindo que o ar, após ser despressurizado e filtrado, chegue aos orifícios de saída da válvula piezoelétrica de acionamento direto. O sinal de ar atua sobre a membrana do amplificador pneumático, fazendo com que a válvula principal se abra. Assim, o sinal de ar consegue passar pelo núcleo da válvula principal e chegar à entrada de ar 2, sendo posteriormente enviado ao atuador, que aciona a válvula. Ao mesmo tempo, a saída de ar é fechada. Quando a válvula piezoelétrica perde energia, as placas piezoelétricas se ativam e fecham o orifício de entrada de ar. Ao mesmo tempo, o orifício de saída de ar fica conectado ao orifício de escape. O gás presente na câmara do amplificador pneumático é liberado através do orifício de escape. A membrana do amplificador pneumático volta à sua posição original sob a ação da mola da válvula principal. Assim, o núcleo da válvula principal se fecha, e os orifícios de entrada e saída de ar do P20 ficam conectados. O gás presente no mecanismo de acionamento é liberado através do orifício de escape. A válvula, por não ter mais pressão, move-se na direção oposta, sob a ação da mola. A válvula piezoelétrica com amplificação de potência, em termos estruturais, equivale a uma combinação de uma válvula piezoelétrica de tipo de ação direta e um amplificador de sinal pneumático. Ela permite a conversão do sinal elétrico em sinal pneumático, além de amplificar a potência do sinal pneumático. Isso facilita o design e a fabricação de localizadores inteligentes de válvulas. Por isso, as válvulas piezoelétricas com amplificação de potência são amplamente utilizadas no controle dos circuitos pneumáticos desses localizadores. 2. Posicionador inteligente de válvulas com válvula piezoelétrica ① O posicionador inteligente com estrutura de circuito de ar baseada em válvula piezoelétrica é composto, geralmente, por dois componentes de válvula piezoelétrica de amplificação de potência (PV1, PV2) e duas válvulas unidirecionais (RV1, RV2), como mostrado na Figura 3. http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160102257019.png Figura 3: Estrutura do circuito de ar do localizador inteligente de válvulas com válvula piezoelétrica. Os componentes pneumáticos podem ter três estados lógicos no circuito de ar: a) Estado 1: PV1 está ligado, PV2 está ligado, RV1 está aberto, RV2 está fechado ； O localizador envia um sinal de pressão pneumática para a câmara de membrana do atuador pneumático da válvula de controle, fazendo com que o vástago da válvula se mova em uma determinada direção. b, Estado 2: PV1 desligado, PV2 ligado, RV1 desligado, RV2 desligado ； O circuito de ar do localizador está fechado, o que impede a passagem da pressão de ar até o atuador pneumático. Todo o circuito de ar do localizador e da válvula de regulação permanece em estado estável, e a posição da válvula de regulação não muda. c, Estado três: PV1 desligado, PV2 desligado, RV1 fechado, RV2 aberto ； O circuito de ar do localizador está em estado de descarga; a câmara de membrana do atuador pneumático é conectada à atmosfera por meio de uma válvula piezoelétrica, o que permite a eliminação do ar contido na câmara de membrana do atuador. O vástago da válvula de regulação se move na direção oposta (em comparação com o estado um). O localizador inteligente de válvulas realiza o ajuste da passagem de gás da válvula de regulação por meio dos três estados de fluxo de gás mencionados acima, controlando assim o funcionamento da válvula de regulação. ②Princípio de funcionamento do posicionador inteligente de válvulas Em comparação com os posicionadores tradicionais, o princípio de funcionamento do posicionador inteligente de válvulas é basicamente o mesmo: ambos comparam o sinal de entrada com o feedback de posição e, em seguida, ajustam o sinal de pressão de saída. Mas, em termos de componentes de atuação, os localizadores inteligentes são completamente diferentes dos localizadores tradicionais, ou seja, seu modo de funcionamento é diferente: os localizadores de válvulas inteligentes utilizam um microprocessador como componente central, além de novos dispositivos de conversão elétrico-elétrica. O localizador inteligente de válvulas elétricas da série SIPARTPS2 da Siemens utiliza um microprocessador como componente central. Ele emprega válvulas piezoelétricas de novo tipo, em substituição aos sistemas tradicionais de regulação de pressão, que consistem em bocais e obturadores, para controlar a pressão de saída. Dessa forma, é possível determinar com precisão a posição da válvula. A estrutura do localizador da série SIPART PS2 inclui, principalmente, um conjunto de válvulas piezoelétricas, um circuito de acionamento piezoelétrico, um microprocessador, um painel de operação com display LCD, sensores de posição da válvula e circuitos de entrada. Princípio de funcionamento do SIPART PS2: O sensor de posição do vástulo detecta o sinal relativo ao grau real de abertura da válvula. Esse sinal é convertido em formato digital por meio da conversão A/D. Em seguida, esse sinal digital é comparado com o sinal definido externamente pelo posicionador (entrada), no CPU. É calculada então a diferença entre os dois sinais. Se essa diferença exceder a precisão de posicionamento, o CPU envia um sinal de controle para fazer com que as duas válvulas piezoelétricas se movam. Quando o sinal de controle externo é maior do que o sinal de feedback da posição da válvula, a válvula piezoelétrica V1 se abre. Isso faz com que a pressão do gás de saída P1 aumente. O aumento da pressão dentro da câmara do atuador faz com que a abertura da válvula aumente, reduzindo assim a diferença entre o sinal de feedback da posição da válvula e o sinal de entrada ； Quando o sinal de ajuste externo é menor que o sinal de feedback da posição da válvula, a válvula piezelétrica V2 se abre, permitindo que o ar seja expelido através dos orifícios de escape. Isso reduz a pressão da fonte de ar de saída, P1. A diminuição da pressão na câmara de membrana do atuador faz com que a abertura da válvula diminua, reduzindo assim a diferença entre os dois valores. Características do localizador inteligente SIPART PS2: o ajuste da pressão de saída é feito por meio da tecnologia de modulação de largura de pulso PID (PWM), o que garante precisão e rapidez ； Utilização de novos dispositivos de válvulas piezelétricas para garantir um controle de alta precisão ； O consumo de ar pelo localizador é extremamente baixo. Os localizadores inteligentes que utilizam tecnologia de válvulas piezoelétricas possuem vantagens como alta precisão de controle, velocidade rápida de ajuste e baixo consumo de ar. Eles representam a direção futura do desenvolvimento dos localizadores inteligentes. Com o passar do tempo e o avanço da tecnologia, as aplicações das válvulas piezoelétricas se tornarão ainda mais amplas.