Controlador de velocidade de válvula: meter-out e meter-in

Você está comissionando ou fazendo a manutenção de um equipamento de fabricação japonesa e uma válvula pneumática bate ao fechar, abre bem mais devagar que a vizinha ou dispara o alarme de tempo de curso depois de alguém "só mexer no botão". Na lista de peças ou no desenho de instrumentação, a pequena conexão na porta do atuador aparece como supikon, abreviação japonesa de speed controller (controlador de velocidade). É uma válvula reguladora de fluxo que estrangula o ar que entra ou sai do atuador e, com isso, define a velocidade de abertura e de fechamento da válvula.

As plantas usam o controlador de velocidade para suavizar o choque nas tubulações e manter em sincronia a sequência de válvulas e máquinas. Mas deixar a válvula mais lenta nem sempre é seguro. Uma válvula de bloqueio de emergência, que precisa fechar em um tempo definido, pode ficar fora do requisito se for estrangulada demais.

Escolher o componente exige definir não só quantos segundos o curso deve durar, mas também em qual sentido do fluxo de ar se faz a restrição. Este guia explica como o controlador funciona, a diferença entre meter-out e meter-in, atuadores de simples ação (retorno por mola) e de dupla ação, o que registrar ao ajustar e o que perguntar ao fornecedor japonês.

O que o controlador de velocidade faz em uma válvula pneumática

Uma válvula automática pneumática usa um atuador para transformar a energia do ar comprimido em movimento rotativo ou linear e assim abrir e fechar a válvula. Na configuração típica, uma válvula solenoide comuta o caminho do ar e o controlador de velocidade, instalado nesse caminho, restringe o fluxo.

A válvula solenoide apenas comuta entre alimentação e escape; ela não serve para ajustar com precisão a velocidade da válvula. A velocidade real depende da pressão de alimentação, da resistência da tubulação de ar, da vazão da solenoide e do volume e da carga do atuador.

A pressão e a qualidade do ar de instrumentos também contam. Trate tudo, da fonte de ar até a porta de escape, como um único sistema, e não apenas o ajuste do controlador.

Os termos japoneses abaixo aparecem com frequência em listas de peças e desenhos de equipamentos japoneses.

Por dentro: válvula agulha e válvula de retenção

Um controlador de velocidade típico combina uma válvula agulha, que altera a seção livre de passagem, com uma válvula de retenção. No sentido controlado, a retenção fecha e todo o ar precisa passar pela agulha. No sentido contrário, a retenção abre um desvio e o ar flui com muito mais facilidade.

Ao girar o botão, a agulha se move e muda a área efetiva de passagem. Em parte da faixa, uma pequena volta altera muito a vazão; por isso o número de voltas e o tempo de curso não são simplesmente proporcionais.

Dois modelos podem ser quase idênticos por fora e regular sentidos opostos. Compare a marcação no corpo com o diagrama do circuito e acompanhe o caminho do fluxo antes de instalar. É esse o ponto de partida para controlar a velocidade de abertura ou de fechamento que você realmente queria.

Meter-out e meter-in

No meter-out, restringe-se o ar que sai do atuador; no meter-in, o ar que entra. Para saber de qual lado se trata, observe também onde o controlador está montado.

Quando se pressuriza um lado de um cilindro de dupla ação, o ar do outro lado é empurrado para fora. O meter-out restringe esse escape e cria uma contrapressão, o que o torna um modo comum de manter a velocidade do cilindro estável.

Os modelos em linha (inline) são instalados no meio da tubulação de ar, enquanto outros se rosqueiam direto na porta do atuador, e o sentido do fluxo se verifica de forma diferente em cada um. Se você trocar peças só pela aparência, os sentidos livre e regulado podem ficar invertidos. O manual da SMC para seus controladores em linha alerta que montar um deles ao contrário é perigoso: a agulha não controla a velocidade e o atuador pode se mover de repente.

Alguns circuitos usam modelos que regulam tanto a alimentação quanto o escape. Como a partida em baixa velocidade e a carga também afetam o movimento, parta dos circuitos de exemplo do fabricante do atuador e escolha os componentes que dão o movimento de que você precisa.

Atuador com retorno por mola e atuador de dupla ação

Um atuador com retorno por mola (simples ação) se move em um sentido pela pressão do ar e volta no outro pela força da mola. Pode ser abre com ar e fecha por mola, ou o contrário; a escolha segue a posição que o processo exige quando falta ar.

Um atuador de dupla ação usa o ar tanto para abrir quanto para fechar, e a válvula solenoide comuta alimentação e escape. Nem toda válvula automática tem mola; por isso, comece lendo o tipo de acionamento na especificação.

Um único controlador unidirecional não garante que você ajuste as velocidades de abertura e de fechamento de forma independente. Se for preciso ajustar cada curso de um atuador de simples ação, é necessária uma configuração adequada, como um circuito que trate alimentação e escape.

Por que as válvulas precisam de controle de velocidade, e quando mais lento é errado

O objetivo principal é dar à válvula tempo suficiente para abrir e fechar, de modo que o fluido e o equipamento não sofram mudanças bruscas. Na operação normal, o ajuste reduz o choque na tubulação. Numa anomalia, ele ainda precisa atender ao tempo de bloqueio exigido.

Linhas de líquido: fechamento rápido e golpe de aríete

Quando uma válvula fecha de repente em uma linha de água, óleo ou outro líquido, a mudança de velocidade do fluxo provoca uma oscilação de pressão. Dependendo do comprimento da tubulação, da velocidade e da forma de fechamento, isso pode virar golpe de aríete, um choque forte que sobrecarrega equipamentos e suportes.

O controlador de velocidade deixa a válvula mais lenta, mas isso sozinho não resolve todos os transientes de pressão. Parada de bomba, refluxo e diferenças de altura no sistema também causam choque; por isso, separe as causas conforme a situação em que o choque ocorre.

Isso pesa especialmente nas válvulas rotativas (esfera e borboleta): mesmo que o disco ou a esfera gire em velocidade constante, a vazão não varia necessariamente a uma taxa constante. Avalie o tempo de curso levando em conta a característica de vazão da válvula, inclusive a variação perto da posição fechada.

Linhas de vapor: condensado e condensação rápida

Se você enviar muito vapor de uma vez para uma linha de vapor fria, forma-se bastante condensado enquanto a tubulação aquece. Essa água pode ser arrastada em alta velocidade pelo vapor, ou o vapor pode condensar de repente, e qualquer um dos dois pode causar um impacto violento.

Abrir a válvula devagar para limitar o fluxo inicial de vapor é uma das medidas durante o aquecimento da linha. Drenar o condensado para que a água não se acumule na linha é tão importante quanto isso para evitar o golpe de vapor.

Quando o golpe vem de condensação rápida, o problema pode continuar mesmo com a válvula abrindo devagar. Antes de deixar mais lenta a válvula que faz barulho, descubra onde o ruído começa e verifique o acúmulo de condensado e o estado dos purgadores e da tubulação.

Sequências: velocidade não é intertravamento

Em equipamentos que acionam várias válvulas e máquinas em ordem, velocidades consistentes mantêm consistentes as condições para o passo seguinte. Tratar o comando de abrir e o sinal "válvula aberta" como duas coisas separadas permite ver quanto tempo a válvula realmente leva.

Mesmo no controle liga-desliga simples, o mecanismo leva algum tempo para percorrer o curso. Combine o comando com a detecção de posição por chaves fim de curso para distinguir "comandado" de "concluído". Se a confirmação não chegar a tempo, o sistema de controle pode gerar um alarme de tempo de curso excedido, chamado jutai em muitos sistemas japoneses.

Deixar a válvula mais lenta com um controlador de velocidade não garante a sequência elétrica. As condições que liberam a partida da máquina seguinte devem ser projetadas à parte, como intertravamentos no sistema de controle.

Como selecionar um controlador de velocidade

Antes de decidir se vai instalar um, liste os tempos normais de abertura e de fechamento e o movimento exigido numa anomalia. Se a mesma válvula precisa fechar suavemente para evitar golpe de aríete, mas também rápido para conter um perigo, resolva os dois requisitos no nível do circuito inteiro.

Verifique primeiro o tamanho da conexão, a faixa de ajuste da vazão, a pressão e a temperatura de operação e o sentido do fluxo controlado. Duas peças com a mesma rosca podem ter características de vazão diferentes; ao substituir, confira a especificação até os últimos caracteres do código do modelo.

Uma vazão nominal maior não facilita o ajuste fino da velocidade. Se a peça for superdimensionada para a vazão necessária, toda a faixa útil de ajuste se concentra em um trecho estreito. Compare também modelos adequados a baixas velocidades.

A vazão de ar dos catálogos às vezes vem convertida para condições de referência de pressão e temperatura. Antes de dividir o volume interno do atuador por essa vazão, confirme que as condições de referência e as pressões de alimentação e de escape coincidem.

O ar que fica no tubo continua pressurizado. Bloquear a alimentação e aliviar a pressão residual são duas etapas distintas, e o equipamento deve ser isolado conforme o procedimento da sua planta antes de qualquer pessoa entrar na zona de movimento. Os manuais da SMC também alertam que atuadores podem se mover de repente por causa da pressão residual.

Perto de válvulas de vapor, a temperatura ambiente ao redor dos componentes pneumáticos é uma condição de seleção, e não só o fluido do processo. Considere o calor conduzido pela válvula e a distância da tubulação quente, e posicione peças e tubos de modo que fiquem dentro da faixa nominal.

Não é regulador de pressão nem posicionador

O regulador de pressão define a pressão do ar; o controlador de velocidade muda a facilidade com que o ar flui. Reduzir a pressão de alimentação para deixar a válvula mais lenta também pode tirar a força de que o atuador precisa; portanto, mantenha os dois papéis separados.

O posicionador compara o comando com a posição real da válvula e leva a válvula à abertura desejada. O controle de posição pelo posicionador e o ajuste de velocidade pelo controlador podem estar no mesmo circuito de ar, mas fazem trabalhos diferentes.

Por exemplo, quando um sinal de 4–20 mA define a abertura da válvula, o controlador de velocidade não recebe essa corrente nem faz a válvula parar na posição desejada. Estrangular demais o ar também muda a resposta da válvula; por isso, em uma válvula de controle, avalie-o como parte da malha de controle.

O Cv, que descreve a facilidade com que o fluido do processo passa pela válvula, é uma grandeza diferente da vazão de ar do controlador de velocidade. Uma válvula grande não exige automaticamente um controlador grande; dimensione o circuito de ar pelo volume do atuador e pelo tempo de curso exigido.

Medição do tempo de curso: abertura, fechamento e perda de ar

No comissionamento, defina qual comando dispara a contagem e o que significa "concluído" antes de registrar os tempos de curso. Separar o tempo em atraso até a válvula começar a se mover, movimento propriamente dito e instante em que chega o sinal de fim de curso facilita encontrar a origem dos problemas.

O mesmo ajuste pode dar um curso diferente quando mudam a pressão de alimentação ou a pressão diferencial do processo. Registre as pressões, a condição do equipamento e a posição do botão junto com os tempos. Esse registro permite comparar antes e depois da manutenção.

Meça a pressão de alimentação enquanto a válvula se move, e não só em repouso. Se a pressão cai apenas quando vários dispositivos operam ao mesmo tempo, investigue a capacidade de alimentação a montante antes de mexer no controlador de velocidade.

Compare também o primeiro curso depois de aliviar a pressão residual com cursos feitos em sequência. Se o lado do escape não tem pressão no início do primeiro curso, a contrapressão do meter-out ainda não se formou, e o atuador pode dar um tranco só nesse curso.

O ponto em que o sinal de fim de curso comuta depende do ajuste da chave ou do sensor e pode não coincidir exatamente com o fim mecânico do curso. Confirmar o sinal de "totalmente fechada" e confirmar que a sede realmente bloqueia o fluido como exigido são duas verificações diferentes, e cada uma precisa de seu próprio teste.

Registre o modelo, o local de montagem, o diâmetro do tubo, os tempos de abertura e de fechamento e a forma como o ajuste é travado. Se a manutenção mudar o comprimento do tubo ou os componentes de escape, não volte o botão apenas para a posição antiga; meça de novo nas mesmas condições.

Em atuadores com retorno por mola, verifique separadamente a operação normal pela solenoide e o comportamento na perda de ar. Mesmo com retorno por mola, uma restrição no escape retarda o curso e, em um circuito em que o ar fica retido, a válvula pode nem retornar. Verifique se existe caminho de escape na perda de alimentação e se a válvula se move dentro do tempo exigido.

Depois do ajuste: trave e nunca use como bloqueio

Só faça ajustes depois de controlar os perigos de partes móveis e de pressão residual, e siga o manual de instruções do produto. Após uma alteração, teste os cursos de abertura e de fechamento e trave o ajuste com a contraporca ou pelo método especificado. A SMC observa que uma contraporca frouxa pode alterar a velocidade do atuador.

Um controlador de velocidade de uso geral serve para regular vazão, não para bloquear o ar. O manual da SMC para seus controladores em linha afirma que eles não podem ser usados como válvulas de bloqueio com vazamento zero, que a especificação admite algum vazamento e que apertar a agulha para interromper o fluxo por completo pode danificar o produto.

Se uma válvula ficou lenta, uma mudança de ajuste é apenas uma possibilidade. Pressão de ar baixa e porta de escape obstruída são outras. Verifique o caminho todo, incluindo conexões, tubos, silenciadores e a válvula solenoide, para achar resistências fora do controlador.

Se a válvula não começa a se mover e depois dispara de repente, olhe também o atrito da válvula e a folga de força do atuador. Não pare em abrir mais o controlador; verifique a pressão de alimentação, o dimensionamento do atuador e as condições mecânicas da válvula.

A tabela abaixo organiza o que observar e o que verificar separadamente.

Lista de checagem do tempo de curso e perguntas ao fornecedor japonês

Ficha de registro por válvula

Use os itens abaixo como base para a ficha de cada válvula e adapte ao padrão de documentação da sua planta.

• TAG da válvula, tipo de atuador (retorno por mola ou dupla ação) e posição exigida na perda de ar
• Código do modelo do controlador de velocidade, local de montagem (em linha ou na porta) e sentido regulado (meter-in ou meter-out)
• Diâmetro e comprimento do tubo, modelo da válvula solenoide, silenciador ou componentes de escape
• Pressão de alimentação em repouso e durante o curso
• Condições do processo no momento do teste (pressão diferencial, temperatura, linha cheia ou vazia)
• Tempos de abertura e de fechamento, com o sinal inicial e o sinal final usados em cada um
• Primeiro curso após despressurizar x cursos repetidos
• Tempo de curso na perda de ar (válvulas com retorno por mola) e o tempo máximo exigido
• Posição do botão e forma de travar o ajuste; quem ajustou e quando

Perguntas para o lado japonês

Estas perguntas ajudam a obter do fornecedor a base do projeto antes de qualquer mudança de ajuste.

• Quais tempos de abertura e de fechamento são exigidos para esta válvula e qual é a base (golpe de aríete, sequência, bloqueio de emergência)?
• Existe um tempo máximo de fechamento para operação de emergência ou de perda de ar e como ele foi verificado?
• Qual modelo de controlador de velocidade está instalado e ele é meter-in ou meter-out? Onde exatamente está montado?
• É possível enviar o diagrama pneumático do atuador, incluindo válvula solenoide, controladores de velocidade e componentes de escape?
• Quais tempos de curso e qual pressão de alimentação foram registrados no FAT (teste de aceitação em fábrica) ou no comissionamento?
• Qual é o tempo-limite do alarme de curso (jutai) desta válvula e ele precisa mudar se o tempo de curso mudar?

Modelo de e-mail de consulta

Assunto: Válvula [TAG] – ajuste do controlador de velocidade (supikon) e tempo de curso exigido

Prezado(a) [nome],
Precisamos ajustar o controlador de velocidade (supikon) da válvula [TAG] na unidade [unidade]. Hoje a válvula [abre/fecha] em [tempo], com pressão de alimentação de [valor]. Antes de alterar qualquer coisa, poderiam nos enviar:
1. Os tempos de abertura e de fechamento exigidos e a base deles
2. Qualquer tempo máximo de fechamento para bloqueio de emergência ou perda de ar
3. O diagrama pneumático e o modelo do controlador de velocidade (meter-in ou meter-out)
4. Os tempos de curso registrados no FAT ou no comissionamento
5. O tempo-limite do alarme de curso (jutai) desta válvula
Atenciosamente,
[seu nome]

Segurança e normas no Brasil

Ao intervir em um atuador pneumático, o bloqueio da energia e o alívio da pressão residual fazem parte dos requisitos de segurança em máquinas e equipamentos. Consulte a NR-12 e o procedimento de bloqueio e etiquetagem da sua planta, e confirme os itens aplicáveis com o SESMT.

Para requisitos de segurança em sistemas pneumáticos e seus componentes, a referência a consultar é a série ABNT NBR ISO 4414. Confirme com o fornecedor do equipamento quais normas e edições valem para o seu projeto; este guia não afirma equivalência entre normas japonesas e brasileiras.

Limites deste guia

• A construção do controlador de velocidade, o sentido regulado e as condições de operação permitidas variam conforme o fabricante e o modelo. O catálogo e o manual de instruções do produto têm prioridade.
• As figuras são desenhos conceituais, não diagramas de circuito nem instruções de tubulação. Use os circuitos de exemplo do fabricante do atuador e os desenhos do fornecedor.
• Os tempos de curso exigidos, sobretudo em bloqueio de emergência, são definidos pela base de projeto e de segurança da planta. Este guia descreve o que verificar e a quem perguntar, não como definir esses tempos.
• Isolamento, despressurização e trabalho dentro da zona de movimento seguem os procedimentos da sua planta e a legislação aplicável.
• O golpe de aríete e o golpe de vapor têm várias causas. A velocidade da válvula é apenas um dos fatores.

Perguntas frequentes

Toda válvula automática pneumática precisa de um controlador de velocidade?

Não. A necessidade depende dos tempos de curso exigidos e das condições do fluido e do equipamento. É um recurso útil para evitar abertura ou fechamento bruscos, mas o circuito e o ajuste não podem comprometer nenhuma ação de emergência que a válvula deva executar.

Um controlador de velocidade regula abertura e fechamento?

Não necessariamente. Um modelo unidirecional típico regula apenas um sentido do fluxo e, por isso, pode não permitir ajustar abertura e fechamento de forma independente. Verifique se o atuador é de simples ou dupla ação e onde a peça está montada, e escolha um dispositivo que trate alimentação e escape se precisar dos dois.

O meter-out sempre dá um movimento suave?

Não. O meter-out é comum no controle de velocidade de cilindros, mas baixas velocidades, o primeiro curso, a pressão residual e a carga mudam o movimento do atuador. Confira a faixa de velocidade e o circuito exigidos nos documentos do fabricante e inclua o primeiro curso nos testes.

Deixar a válvula mais lenta elimina o golpe de vapor?

Nem sempre. Abrir devagar ajuda a limitar o fluxo durante o aquecimento, mas o ajuste de velocidade sozinho pode não parar o golpe causado por condensação rápida. Verifique onde o condensado se forma e se acumula, além do equipamento de drenagem e da tubulação, e corrija a causa real.

Posso bloquear o ar fechando totalmente o controlador de velocidade?

Não. Controladores de velocidade de regulagem de vazão podem admitir algum vazamento por projeto e, por isso, não servem como válvulas de isolamento para trabalho seguro. Use o bloqueio da alimentação e o alívio da pressão residual conforme o procedimento e nunca confie em uma agulha apertada.

Fontes

• Não é válvula de bloqueio, sentido de montagem, contraporca: SMC, manual de instruções do controlador de velocidade com conexão One-touch (tipo em linha), em inglês
• Pressão residual e movimento súbito do atuador: SMC, manual de instruções do controlador de velocidade série ASP com válvula de retenção piloto, em inglês
• Precauções de segurança dos controladores de velocidade: SMC, manual de instruções do controlador de velocidade em aço inoxidável ASG (em japonês)
• Construção e tipos de modelo: SMC, catálogo de controladores de velocidade AS-M (em japonês)
• Escolha entre meter-in e meter-out: Nitta, FAQ sobre meter-in e meter-out (em japonês)
• Circuitos e características de vazão: CKD, catálogo SCL2/SCD2 (em japonês) e manual de instruções SCL2/SCD2 (em japonês)
• Construção de atuadores pneumáticos: KITZ, catálogo de pequenas válvulas automatizadas J-301=59 (em japonês)
• Acessórios e circuitos de ar de válvulas automatizadas: KITZ, catálogo de válvulas automatizadas J-350=50 (em japonês)
• Princípio de funcionamento do posicionador e realimentação de posição: SMC, catálogo de posicionadores eletropneumáticos (em japonês)
• Golpe de aríete em sistemas de vapor e condensado: TLV, golpe de aríete em tubulações de transporte de condensado (em inglês); mecanismo (em japonês), contramedidas (em japonês), início e parada do fornecimento de vapor (em japonês)