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O controle do fluxo e da comutação de gases bem como de vapores, encontra aplicação direta em salas limpas para fabricação de circuitos integrados, em hospitais, para controle do fluxo de anestesia, em fornos de sinterização de materiais, para metalurgia, dentre outras possíveis. Neste artigo apresentaremos um sistema para comutação e controle do fluxo de massa para gases de entrada num forno térmico destinado a sinterização, oxidação e nitretação de materiais. O sistema automatizado aqui apresentado para o controle de fluxo e seqüenciamento de diversos gases num forno é um exemplo de projeto mecatrônico que utiliza atuadores mecânicos, elétricos e controle via microcomputador.

Na construção de um sistema automatizado de comutação e controle do fluxo de gases, são normalmente empregados três tipos de dispositivos básicos que são os pneumáticos, os para gases e os eletrônicos. Uma associação de dispositivos pneumáticos interligados por tubos e alimentados por ar comprimido resulta num circuito puramente pneumático. Já a associação de dispositivos para gases resulta em painéis de gases assim como a associação de dispositivos eletrônicos resulta em circuitos eletrônicos. Um sistema automatizado de comutação e controle do fluxo de gases nada mais é do que um circuito híbrido contendo os três tipos de dispositivos mencionados. Os circuitos pneumáticos incluem fonte de ar comprimido, mangueiras ou tubulações, válvulas, cilindros simples ou duplos, filtros, etc. Os circuitos que compõem os painéis de gases incluem válvulas “agulha”, rotâmetros, controladores de fluxo de massa (mass flow controllers),tubulações rígidas ou flexíveis (poliflo), reguladores, filtros, válvulas, etc. Finalmente, os dispositivos eletrônicos (transistores, resistores, etc.) permitem implementar circuitos de interface com microcomputadores de modo a se conseguir fazer a programação dos fluxos e da seqüência de gases que serão inseridos, por exemplo, num dado forno térmico.

CIRCUITOS PNEUMÁTICOS PARA GASES

A tabela 1 mostra os símbolos dos dispositivos pneumáticos mais comuns os quais, conforme já dissemos, podem ser interconectados entre si de forma a implementar circuitos completos.



Nesta tabela, podemos destacar que o cilindro de ação simples possui um êmbolo ligado a uma mola. Quando o ar comprimido é introduzido no compartimento sem a mola, o êmbolo se movimenta e atua empurrando uma vareta para fora do cilindro. Mais tarde, a mola movimenta o êmbolo em direção contrária quando existir ausência de pressão no compartimento sem mola. Já no cilindro de ação dupla, o êmbolo pode ser movimentado para a esquerda ou para a direita dependendo do compartimento onde é inserido o ar comprimido e o mesmo também atua sobre uma vareta. Por outro lado, a válvula é um dispositivo básico que permite ou não a passagem de ar comprimido quando acionada. Na tabela 1 é mostrado o símbolo de uma válvula com caminho entre os pontos 1 e 2 habilitado tendo o acesso 3 fechado. Os tipos possíveis de acionamento de uma válvula para ar comprimido estão mostrados na tabela 2.



Observe que a posição da seta entre os terminais 1 e 2 corresponde ao caminho ativado pela fonte de acionamento (solenóide, botão, alavanca, pedal, batente, rolete ou mola) enquanto que o acesso 3 representado na figura fica fechado após o acionamento.

A “caixa” indicada no lado esquerdo da figura 1 representa uma válvula cujo caminho entre os pontos P e A foi acionado através de uma tensão aplicada a um solenóide ficando a via B fechada. Numa etapa seguinte representada pela “caixa” desenhada do lado direito, com a ausência de tensão aplicada na solenóide, o caminho entre os pontos A e B é acionado por uma mola ficando desta vez a via P fechada. A figura 2 mostra um exemplo comercial cujo símbolo já foi apresentado na figura 1. Trata-se da válvula solenóide MUFH-3-PK-3 fabricada pela FESTO. Observe que a energização do solenóide é feita com 220 V eficazes da rede através de uma chave S1.


Para analisar os dispositivos dos painéis de gases, considere a tabela 3 onde temos representada a simbologia típica de todos aqueles que são mais comumente empregados. Estes dispositivos destinam-se a não apenas controlar o fluxo mas também seqüenciar os gases desejados por uma dada linha de saída conectada, por exemplo, num forno térmico.


A figura 3(a) mostra um circuito híbrido onde uma válvula solenóide para ar comprimido é empregada em conjunto com uma válvula para gás (normalmente fechada) de forma a permitir o acionamento elétrico da passagem do mesmo, isto é, a válvula solenóide controla a passagem de ar comprimido o qual, por sua vez, ativa a válvula de gás. Veja que quando a energizamos a solenóide, o caminho entre A e P é habilitado. Em seguida, o êmbolo do cilindro de ação simples movimenta uma vareta que abre a válvula e libera a passagem de gás entre os pontos C e D. Este tipo de associação é comum em painéis de gases os quais podem ser controlados de forma remota através de chaves discretas que ativam tensões elétricas ou ainda através de circuitos de interface conectados a um microcomputador no qual exista um software de controle. A figura 3(b) mostra uma representação simplificada da válvula solenóide conectada ao cilindro de ação simples e, ainda, a figura 3(c) é equivalente ao circuito da figura 3(b) sendo que o cilindro ficou imbutido na válvula de gás. Na última seção deste artigo, voce terá a oportunidade de ver um circuito eletrônico simples de interface para microcomputador para acionamento remoto de um painel de gases.



Convém também destacar no caso da válvula para gás da tabela 3 que o acionamento pode ser feito, além daquele mostrado na figura 3(b), também das diversas maneiras mostradas na tabela 4. Veja que, no acionamento pneumático/elétrico, temos presente diversos componentes pneumáticos como os cilindros de ação simples e dupla associados a válvulas solenóides para ar comprimido. O acionamento pode também ser via manual, motor e eletromagnética. Neste último caso, o campo eletromagnético da solenóide movimenta uma vareta que abre uma válvula que estava normalmente fechada. A mola tem a função de deixar a válvula normalmente fechada na ausência de campo.



Por outro lado, o controlador de fluxo de massa (MFC: Mass Flow Controller) é um outro dispositivo para gás que permite um controle extremamente preciso do fluxo de gás em uma dada linha. A figura 4 mostra um diagrama completo de um controlador de fluxo de massa. O fluxo de gás que passa entre os pontos A e B é controlado para ficar estável num valor específico pré-programado. Conforme indicado na figura 4, o MFC é composto de um bloco I onde se mede o fluxo de massa e um bloco II que controla o fluxo de massa de forma a se igualar com um valor de referência (set point).



Considerando inicialmente o bloco I onde se mede o fluxo de massa, normalmente fabrica-se o tubo por onde passa o gás em aço inoxidável internamente eletropolido a fim de garantir alto nível de limpeza e minimizar reações químicas entre o gás e o referido tubo. Observe você na figura 4 que existem dois sensores de temperatura nos dois extremos do tubo de aço eletropolido e um esquentador ao centro. Quando o gás flui através do tubo, ele carrega calor de uma extremidade a outra sendo que quando maior o fluxo, maior a quantidade que é transportada. Porém, esta quantidade de calor transportada é proporcional a diferença de temperatura entre os dois sensores e, portanto, proporcional ao fluxo de massa. A diferença de temperatura é medida com a ajuda de uma ponte de Wheastone onde os sensores são resistências com um coeficiente de variação com a temperatura. As resistências associadas aos sensores1 e 2 nas temperaturas TE e TS, respectivamente, podem ser escritas, tam- bém respectivamente, como segue:

= ( + α ( − ))
e (1)
= ( + α ( − ))

onde Ta é a temperatura ambiente e α é o coeficiente de variação com a temperatura.

Supondo:

α ( − ) <<
e,
α ( − ) <<

podemos dizer que a corrente que passa nos dois ramos da ponte de Wheastone são aproximadamente iguais e dadas por:

≅ ≅ (2)

Dessa forma, a diferença de potencial na saída da ponte (entre os pontos C e D) que é proporcional ao fluxo de massa m’ será dada por:

= − =α − (3)

Considerando agora o bloco II, verifica-se facilmente que o sinal de controle que vai para a entrada da válvula eletromagnética tipo proporcional é dado por K(m’- mS’), isto é, o fluxo de massa medido (m’) é constantemente comparado com o “set point”(mS’). Quando m’ e mS’ se igualam, o sinal que vai para a válvula solenóide passa a ser nulo e não há nenhum acionamento. Desta forma, ficando o fluxo constante no valor de “set point” mS’.

Existe uma gama muito grande de fabricantes de controladores de fluxo de massa (MFC) dentre os quais podemos citar MKS, BROOKS e TYLAN que invariavelmente obedecem o princípio de funcionamento já descrito e são construídos geralmente para operar: (a) numa ampla faixa de pressão de entrada do gás de processo até 1500 psi, (b) numa larga faixa de fluxos até 30 slpm (litros por minuto), (c) com rápida resposta a mudança de fluxo de processo (segundos), (d) com partes internas resistentes a gases corrosivos e (e) opcionalmente com saída padrão para microcomputador.