Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici
II° parte: A) Valvole, B) Misuratori
Claudio Scali
Laboratorio di Controllo dei Processi Chimici (CPCLab)
Dipartimento di Ingegneria Chimica (DICCISM)
Università di Pisa
Sommario II° parte(*): Valvole e Misuratori
•
Valvole di Regolazione
•
Caratteristiche statiche e dinamiche dei misuratori
•
Errori di misura
•
Misuratori delle variabili base:
- Portata
- Livello
- Pressione
- Temperatura
•
Misuratori di altre variabili
(*) Riferimento: Presentazione PPT
Corso SCPC AA. 2003-2004
II, 2
C. Scali, Università di Pisa
Valvole di Regolazione
• L’attuatore realizza sul processo le variazioni calcolate dal regolatore
IN: segnale di Controllo;
OUT: azione di controllo su V. MNPL
s
Attuatore
u
Processo
Nella maggior parte dei casi V. MNPL è una portata:
→ Attuatore = Valvola di regolazione
Si vuole: valvola molto più veloce del processo:
→ τv << τp
V. Pneumatica (Motore ad Aria Compressa):
più diffusa per operazioni continue
Funzionamento:
- Segnale regolatore aumenta Pressione su Membrana
- Flessione membrana fa muovere lo Stelo
e variare la posizione relativa Otturatore - Sede
→ Varia sezione di passaggio e quindi portata
- La posizione di equilibrio è mantenuta da una molla
Schema di una valvola a sede singola
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Valvole di Regolazione
• Curva Caratteristica della Valvola
Rappresenta Andamento della portata in funzione della corsa dello stelo: Q=Q(X)
- V. A rapida Apertura: a piccola apertura
corrisponde portata vicina al massimo
→ non adatta per la regolazione
- V. Lineare: dQ/dX= K
→ Il guadagno della Valvola è costante
- V. Esponenziale (Equipercentuale) :
dQ/dX= K Q
→ Il guadagno della Valvola è
proporzionale alla portata
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Valvole di Regolazione
• Funzionamento in condizioni di sicurezza
In mancanza di alimentazione (aria):
Valvola: Chiude (Aria-Apre)
adatta per Riscaldamento
Valvola: Apre (Aria-Chiude)
per Fluidi Raffreddanti
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Valvole di Regolazione
Altri Tipi di Valvola
Valvola a Farfalla
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Valvola a Membrana
(Sanders)
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Valvola a Doppia Sede
(Bilanciata)
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Dimensionamento delle Valvole (1/2)
• Q=portata
Q = CV ∆PV
• ∆Pv=perdita di carico
• Cv= portata di fluido con ∆Pv
unitaria
kG 2
Q2
A
∆
P
=
ku
=
=
k
→
Q
=
∆PV = CV ∆PV
• Deriva da:
V
2 2
2
ρ A
A
k
CV = CV ( A) Proporzionale alla sezione di passaggio attraverso la valvola (parametro
base per dimensionamento della valvola)
2
∆PV = 30% ∆PT
• Solitamente:
(∆PT = ∆PV + ∆PL )
• Dimensionamento di massima
• Qmax=2* Q0
• Criterio
CV ,max
CV , max =
Qmax
∆PV , max
• Q0= massima portata condizioni di esercizio
• ∆P v,max= perdita di carico massima ammissibile
Diametro Nominale Valvola
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Dimensionamento delle Valvole (2/2)
• Dimensionamento più accurato
• Criterio:
CV ( x ) =
Q = Q ( x )

∆PV = ∆PV ( x )
Q(x )
→
∆PV ( x )
x = apertura valvola (corsa stelo )
tabella tipo di valvole
Correzioni per tener conto di:
• Fluidi diversi tra Aria e Acqua (riferimento standard)
• Condizioni di flusso puntuali (liquidi vaporanti; moto in condizioni soniche)
• Effetto delle perdite di carico sulla linea ∆PL /∆PV
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Non linearità nelle valvole (1/3)
e
C
s
V
Q
P
• Una variazione di segnale del regolatore (s) provoca variazioni
(variabili scostamento s=∆s)
à x (corsa dello stelo)à A, C V (sezione di passaggio)à Q (portata)
s
V1
x
V2
A, CV
V3
Q
• x(s): può essere considerata lineare (= K 1)
• CV(x): dipende dalla curva caratteristica della valvola
(= K: V.lineare;= K· Q:v. equipercentuale)
• Q=f(CV); in generale: Q = CV
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∆PV
Relazione non lineare in due variabili
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Non linearità nelle valvole (2/3)
∂Q
Q=
∂CV
∂Q
CV +
∂ ∆PV
∆PV
∆PV = ∆PV , 0 ⋅ CV +
CV
CV , 0
2 ∆PV , 0
∆PV
In generale ∆PV varia con l’apertura della valvola:
(es.: valvola sulla mandata della pompa centrifuga o scarico da un serbatoio)
• Valvola Equipercentuale e Non Linearità del Processo
- La relazione Q(X) è lineare soltanto se ∆PV è costante e la valvola è di tipo lineare
- La non linearità dovuta alla valvola equipercentuale è introdotta volutamente e
serve per compensare la non linearità del processo con la portata (KP ∝ 1/Q)
- Guadagno del processo non lineare rispetto alla portata KP∝ 1/Q
- Auspicabile avere un guadagno globale del loop K0=costante per evitare una
azione di controllo eccessiva (instabilità) o insufficiente (controllo lento)
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Non linearità nelle valvole (3/3)
KP =
T
1
=
→ F0 c p (T0 − Ti 0 ) = Q0 = W0 λ
Q F0 c p
→ K P ∝ W0
−1
Schema Loop di Controllo
-
C
s
K1
W
x
*
λ
Q
P
K 0 = K C K 1 K V λK P = K V K P
K P ∝ W −1
0
(*) • Valvola lineare KV = K → K ∝
• Valvola equipercentuale
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K
W
Diminuisce con W
K V = K ⋅W → K 0 =
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K V ⋅W
W
Rimane costante
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