Como controlar a pressão do vácuo
Fundamentos de monitoramento, controle e regulagem de pressão em sistemas de vácuo
Em todos os processos de vácuo, a pressão no sistema deve ser constantemente verificada e, se necessário, regulada. O controle moderno da fábrica também exige que todos os valores medidos que são importantes para o monitoramento de uma fábrica sejam transmitidos para estações centrais, centros de monitoramento e controle e compilados de maneira clara. As mudanças de pressão são frequentemente registradas ao longo do tempo pelo equipamento de registro. Isto significa que são colocadas exigências adicionais nos vacuômetros:
a) indicação contínua dos valores medidos, analógicos e digitais, na medida do possível
b) leitura clara e conveniente dos valores medidos
c) saída de gravador para conectar um instrumento de gravação ou equipamento de controle ou regulagem
d) interface digital integrada (por exemplo, RS 232)
e) facilidade para acionar operações de comutação por pontos de acionamento integrados
Essas demandas geralmente são atendidas por todos os vacuômetros que possuem uma exibição de valor medido elétrico, com exceção do diafragma mecânico e dos vacuômetros com líquido. As respectivas unidades de controle são equipadas com saídas de gravador que fornecem tensões contínuas entre 0 e 10 V, dependendo da leitura de pressão na escala do medidor, para que os valores de pressão possam ser registrados ao longo do tempo por meio de um instrumento de gravação. Se uma unidade de comutação de pressão estiver conectada à saída do gravador do medidor, as operações de comutação podem ser acionadas quando os valores forem acima ou abaixo dos valores estabelecidos. Os valores estabelecidos ou os valores limites de comutação para acionar as operações de comutação diretamente nos medidores são chamados de valores de acionamento. Além dos vacuômetros, existem interruptores de pressão do diafragma que acionam uma operação de comutação (sem exibição de um valor medido) por meio de um amplificador de contato quando uma determinada pressão é atingida. As válvulas, por exemplo, também podem ser controladas por meio de tais operações de comutação.
Proteção automática, monitoramento e controle de sistemas de vácuo
A proteção de um sistema de vácuo contra avarias é extremamente importante. Em caso de falha, valores de material muito altos podem estar em risco, seja pela perda de todo o sistema ou de seus principais componentes, devido à perda do lote de material a ser processado ou devido ao tempo de paralisação da produção. Portanto, deve-se prever controle e proteção operacional adequados, especialmente no caso das grandes instalações de produção. Os fatores individuais a serem considerados nesta conexão são mais bem ilustrados com base em um exemplo: A Fig. 3.20 mostra o diagrama esquemático de um sistema de bomba de alto vácuo. O reservatório (11) pode ser evacuado por meio de uma bomba tipo Roots (14) ou de uma bomba de difusão (15), ambas operando em conjunto com a bomba de apoio (1). A bomba tipo Roots é usada na faixa de vácuo médio e a bomba de difusão na faixa de alto vácuo (você também pode usar uma bomba molecular Turbo). As válvulas (3), (8) e (16) são operadas eletropneumaticamente. Os componentes individuais são acionados a partir de um painel de controle com botões.
Fig. 3.20 Diagrama esquemático de um sistema de bomba de alto vácuo com operação opcional de uma
bomba tipo roots ou bomba de difusão.
- Bombas de apoio
- Dispositivo de monitoramento de pressão de apoio
- Válvula eletropneumática
- Conexão de ar comprimido
- Dispositivo de monitoramento de pressão
- Dispositivo de monitoramento de temperatura
- Dispositivo de monitoramento de água de resfriamento
- Válvula eletropneumática
- Gravador
- Dispositivo de monitoramento de alto vácuo
- Reservatório
- Medidor de alto vácuo
- Interruptor limitador
- Bomba tipo roots
- Bomba difusora
- Válvula eletropneumática
- Válvula de ventilação
Medidas para proteger o sistema da bomba contra avarias
O sistema da bomba deve ser protegido contra as avarias descritas abaixo. As medidas a serem tomadas para evitar tais avarias também são dadas:
a) Medidas em caso de falta de energia: todas as válvulas são fechadas de modo a evitar a entrada de ar no reservatório de vácuo e proteger a bomba de difusão contra danos.
b) Proteção em caso de queda de pressão na rede de ar comprimido: o ar comprimido é monitorado por um dispositivo de monitoramento de pressão (5). Se a pressão cair abaixo de um valor especificado, um sinal pode ser emitido inicialmente ou as válvulas podem ser fechadas automaticamente. Neste caso, é necessário um fornecimento reserva suficiente de ar comprimido (não mostrado na Fig. 3.20), o que permite que todas as válvulas sejam acionadas pelo menos uma vez.
c) Medidas em caso de falha da água de resfriamento na bomba de difusão: a água de resfriamento é monitorada por um dispositivo de monitoramento de fluxo ou temperatura (6) e (7). Se o fluxo de água de resfriamento for inadequado, o aquecedor da bomba de difusão é desligado e um sinal é dado; a válvula (8) fecha.
d) Proteção contra falha do aquecedor da bomba de difusão: a interrupção do sistema de aquecimento da bomba de difusão pode ser monitorada por um relé. Se a temperatura subir acima de um valor máximo permitido, um dispositivo de monitoramento de temperatura (6) responderá. Em ambos os casos, a válvula (8) fecha e um sinal é dado.
e) Proteção em caso de falha da bomba de apoio: as bombas de apoio acionadas por correia devem ter um interruptor centrífugo que desliga todo o sistema em caso de ruptura da correia ou outra avaria. As bombas monobloco para as quais o acionamento é montado diretamente no eixo podem ser monitoradas por relés de corrente e similares.
f) Proteção contra um aumento de pressão no reservatório acima de um determinado valor limite:o dispositivo de monitoramento de alto vácuo (10) emite um sinal quando uma pressão específica é excedida.
g) Garantir a pré-pressão crítica da bomba de difusão: quando uma determinada pressão de apoio é excedida, todas as válvulas são fechadas pelo dispositivo de monitoramento de pressão de apoio (2), as bombas são desligadas e, novamente, um sinal é emitido. A posição das válvulas (3), (8) e (16) é indicada no painel de controle por meio dos interruptores de limite (13). A pressão no reservatório é medida com um medidor de alto vácuo (12) e registrada com um gravador (9). A proteção contra erros de operação pode ser fornecida pelo intertravamento dos interruptores individuais de modo que eles só possam ser acionados em uma sequência predeterminada. A bomba de difusão, por exemplo, pode não ser ligada quando a bomba de apoio não estiver funcionando ou a pressão de apoio necessária não for mantida ou a circulação da água de resfriamento não estiver funcionando.
Regulagem de pressão e controle em sistemas de vácuo parcial e médio
O controle e a regulagem têm a função de dar a uma variável física – neste caso, a pressão no sistema de vácuo – um determinado valor. O recurso comum é o atuador que altera o fornecimento de energia para a variável física e, portanto, a própria variável. Controle refere-se a influenciar um sistema ou unidade por meio de comandos. Nesse caso, o atuador e, portanto, o valor real da variável física é alterado diretamente com uma variável manipulada. Exemplo: atuação de uma válvula por meio de um interruptor dependente de pressão. O valor real pode mudar de forma indesejável devido a influências externas adicionais. A unidade controlada não pode reagir à unidade de controle. Por esse motivo, dizem que os sistemas de controle têm uma sequência de operação aberta. No caso de regulagem, o valor real da variável física é constantemente comparado com o valor estabelecido especificado e regulado se houver qualquer desvio, para que se aproxime completamente do valor estabelecido, o máximo possível. Para todos os fins práticos, a regulagem sempre exige controle. A principal diferença é o controlador no qual o valor estabelecido e o valor real são comparados. A totalidade de todos os elementos envolvidos no processo de controle forma o circuito de controle. Os termos e as variáveis caraterísticas para descrever os processos de controle estão estipulados na DIN 19226.
Geralmente, é feita uma distinção entre controle descontínuo (por exemplo, controle de duas ou três etapas) com especificação de uma janela de pressão, dentro da qual a pressão pode variar, e controle contínuo (por exemplo controle PID) com um valor de pressão especificado, que deve ser mantido o mais precisamente possível. Temos duas maneiras possíveis de ajustar a pressão em um sistema de vácuo: primeiro, alterando a velocidade de bombeamento (alterando a velocidade da bomba ou a limitação fechando uma válvula); segundo, através da admissão de gás (abrindo uma válvula). Isso resulta em um total de 4 procedimentos.
Regulagem de pressão descontínua
Embora a regulagem contínua represente, sem dúvida, o procedimento mais elegante, em muitos casos a regulagem em duas ou três etapas é totalmente adequada em todas as faixas de vácuo. Para especificar a janela de pressão, são necessários dois ou três contatos variáveis do interruptor dependentes de pressão. Não importa aqui se os contatos do interruptor estão instalados em um medidor com visor ou em uma unidade a jusante ou se é um interruptor de pressão sem visor. A Fig. 3.21 ilustra a diferença entre a regulagem em duas etapas através da aceleração da velocidade de bombeamento, da regulagem de dois pontos através da admissão de gás e da regulagem de três pontos através de uma combinação de aceleração da velocidade de bombeamento e admissão de gás. As figuras 3.22 e 3.23 mostram o circuito e a estrutura dos dois sistemas de regulagem em duas etapas. No caso de regulagem em duas etapas por meio da aceleração da velocidade de bombeamento (Fig. 3.22), a tensão é fornecida para a válvula da bomba 4, ou seja, está aberta quando os contatos do relé estão na condição de liberação. Em um nível abaixo do ponto de comutação superior, a válvula permanece aberta devido à função de autorretenção do relé auxiliar. Somente em um nível abaixo do ponto de comutação inferior está liberado o travamento do relé. Se a pressão subir posteriormente, a válvula é aberta novamente no ponto de comutação superior.
Fig. 3.21 Diagrama esquemático da regulagem de duas e três etapas
Fig. 3.22 Regulagem em duas etapas através da aceleração da velocidade de bombeamento.
➀ Medidor com dois pontos de comutação
➁ Válvula de estrangulamento
➂ Bomba de vácuo
➃ Válvula da bomba
➄ Reservatório de vácuo
Fu - Fusível
R, Mp - conexão de rede elétrica de 220 V/50 Hz
Smax - ponto de comutação para o valor máximo
Smin - ponto de comutação para o valor mínimo
PV - válvula da bomba
R1 - Relé auxiliar para a válvula da bomba
K1 - Contato do relé de R1
M - Dispositivo de medição e comutação
Fig. 3.23 Regulagem em duas etapas através da admissão de gás
➀ Medidor com dois pontos de comutação
➁ Válvula de vazamento variável
➂ Válvula de entrada
➃ Fornecimento de gás
➄ Válvula de estrangulamento
➅ Bomba de vácuo
➆ Reservatório de vácuo
Fu - Fusível
R, Mp - conexão de rede elétrica de 220 V/50 Hz
Smax - ponto de comutação para o valor máximo
Smin - ponto de comutação para o valor mínimo
EV - Válvula de entrada
R2 - Relé auxiliar para a válvula de entrada
K2 - Contato do relé de R2
M - Dispositivo de medição e comutação
No caso de regulagem em duas etapas através da admissão de gás, a válvula de entrada está inicialmente fechada. Se o ponto de comutação da pressão superior não for alcançado, nada muda; somente quando a pressão cair abaixo do ponto de comutação inferior, abra a válvula de entrada de gás e acione o relé auxiliar com a função de autorretenção simultaneamente. O retorno ao estado ocioso, com o fechamento da válvula de entrada de gás, não é afetado até que o ponto de comutação superior seja excedido devido à liberação da função de autorretenção do relé.
A Fig. 3.24 mostra o sistema de regulagem de três etapas correspondente que foi criado com os dois componentes descritos. Como o nome indica, foram combinados dois pontos de comutação, o ponto de comutação inferior do sistema de regulagem através da aceleração da velocidade de bombeamento e o ponto de comutação superior do sistema de regulagem da entrada de gás.
Fig. 3.24 Sistema de regulagem em três etapas.
➀ Medidor com três pontos de comutação
➁ Válvula de vazamento variável
➂ Válvula de vazamento variável
➃ Válvula de entrada
➄ Fornecimento de gás
➅ Válvula de estrangulamento
➆ Bomba de vácuo
➇ Válvula da bomba
➈ Reservatório de vácuo
Fu - Fusível
R, Mp - conexão de rede elétrica de 220 V/50 Hz
Smax - ponto de comutação para o valor máximo
Smitte - ponto de comutação para o valor médio
Smin - ponto de comutação para o valor mínimo
T – GRAPHIX THREE
PV - Válvula da bomba
EV - Válvula de entrada
R1 - Relé auxiliar para intervalo da bomba
R2 - Relé auxiliar para intervalo de entrada
K1 - Contato do relé de R1
K2 - Contato do relé de R2
M - Dispositivo de medição e comutação
Para evitar a instalação complicada com relés auxiliares, muitas unidades oferecem a facilidade de alterar o tipo de função dos valores de acionamento integrados via software. Inicialmente, é possível escolher entre pontos de comutação individuais (ou "acionadores de nível") e pontos de comutação interligados ("acionadores de intervalo"). Essas funções são explicadas na Fig. 3.25. Com acionadores de intervalo, também é possível selecionar o tamanho da histerese e o tipo de especificação do ponto de ajuste, ou seja, a configuração fixa na unidade ou a especificação através de uma tensão externa, por exemplo, de 0 a 10 volts. Um sistema de regulagem em três etapas (sem relé auxiliar), por exemplo, pode ser configurado com o Leybold CEREVAC e GRAPHIX THREE.
Fig. 3.25 Diagrama de acionadores de nível e acionadores de intervalo
GRAPHIX – Unidades de operação para os sensores ativos, visor GRAPHIX e instrumentos de operação para os sensores ativos
Regulagem de pressão contínua
Temos que fazer uma distinção aqui entre controladores elétricos (por exemplo controladores PID) com uma válvula proporcional como atuador e controladores mecânicos de diafragma. Em um sistema de regulagem com controladores elétricos, a coordenação entre o controlador e o atuador (válvula de entrada de gás piezoelétrica, válvula de entrada com acionamento do motor, válvula de controle borboleta, válvula de estrangulamento) é difícil devido às diferentes condições de limite (volume do reservatório, velocidade efetiva de bombeamento no reservatório, faixa de controle de pressão). Esses circuitos de controle tendem a vibrar facilmente quando ocorrem avarias no processo. É praticamente impossível especificar valores padrão geralmente válidos.
Muitos problemas de controle podem ser melhor resolvidos com um controlador de diafragma. A função do controlador do diafragma (consulte a Fig. 3.27) pode ser facilmente derivada daquela de um vacuômetro de diafragma: a extremidade cega de um tubo ou tubulação é fechada por meio de um diafragma elástico de borracha (para pressão de referência > pressão de processo) ou liberada (para pressão de referência < pressão de processo) para que, neste último caso, uma conexão seja estabelecida entre o lado do processo e a bomba de vácuo. Este elegante sistema de regulagem mais ou menos "automático" possui excelentes caraterísticas de controle (ver Fig. 3.28).
Fig. 3.27 Princípio de um controlador de diafragma
- Câmara de referência
- Diafragma
- Conexão de medição para câmara de referência
- Válvula de ajuste da pressão de referência
- Conexão de bomba
- Assento do controlador
- Câmara de controle
- Conexão de medição para pressão de processo
- Conexão da câmara de processo
Fig. 3.28 Características de controle de um controlador de diafragma.
P1= pressão do processo, P2= pressão na bomba, Pref = pressão de referência
Para obter taxas de fluxo mais altas, vários controladores de diafragma podem ser conectados em paralelo. Isso significa que as câmaras de processo e as câmaras de referência também estão conectadas em paralelo. A Fig. 3.29 mostra tal conexão de 3 controladores de diafragma MR 50.
Para controlar um processo de vácuo, frequentemente é necessário modificar a pressão em etapas individuais do processo. Com um controlador de diafragma, isso pode ser feito manualmente ou por meio do controle elétrico da pressão de referência.
O controle elétrico da pressão de referência de um controlador de diafragma é relativamente fácil devido ao pequeno volume de referência que sempre permanece constante. Fig. 3.31 mostra tal disposição à esquerda como uma imagem e à direita esquematicamente, consulte 3.5.5 para obter exemplos de aplicação com controladores de diafragma.
Para poder alterar a pressão de referência e, portanto, a pressão do processo para pressões mais altas, uma válvula de entrada de gás deve ser instalada adicionalmente na câmara de processo. Essa válvula é aberta por meio de um interruptor de pressão diferencial (não mostrado na Fig. 3.31) quando a pressão de processo mais alta desejada excede a pressão de processo atual em mais do que a diferença de pressão definida no interruptor de pressão do diferencial.
Fig. 3.29 conexão tripla dos controladores de diafragma
Fig. 3.30 Controle dos processos de secagem a vácuo regulando a pressão de entrada da bomba de vácuo de acordo com a tolerância do vapor de água.
DC - Controlador de diafragma
P - Bomba de vácuo
M - Dispositivo de medição e comutação
PS - Sensor de pressão
V1 - Válvula da bomba
V2 - Válvula de entrada de gás
TH - Válvula de estrangulamento
RC - Câmara de referência
PC - Câmara de processo
CV - Válvula de controle de pressão de referência interna
Fig. 3.31 Controlador de diafragma com regulagem de pressão de referência automática externa.
DC - Controlador de diafragma
PS - Sensor de pressão do processo
RS - Sensor de pressão de referência
V1 - Válvula de entrada de gás
V2 - Válvula da bomba
V3 - Válvula de vazamento variável de entrada de gás
TH - Válvula de estrangulamento
M - Dispositivo de medição e comutação
PP - Bomba de processo
RC - Câmara de referência
PC - Câmara de processo
AP - Bomba auxiliar
CV - Válvula de controle de pressão de referência interna
Regulagem de pressão em sistemas de alto e ultra-alto vácuo
Se a pressão for mantida constante dentro de determinados limites, um equilíbrio deve ser estabelecido entre o gás admitido no reservatório de vácuo e o gás removido simultaneamente pela bomba com o auxílio de válvulas ou dispositivos de estrangulamento. Isso não é muito difícil em sistemas de vácuo parcial e médio, pois a dessorção de gases adsorvidos das paredes é geralmente desprezível em comparação com a quantidade de gás que flui pelo sistema. A regulagem da pressão pode ser realizada através da entrada de gás ou da regulagem da velocidade de bombeamento. No entanto, o uso de controladores de diafragma só é possível entre a pressão atmosférica e cerca de 10 mbar.
Na faixa de alto e ultra-alto vácuo, por outro lado, a evolução do gás a partir das paredes dos reservatórios tem uma influência decisiva na pressão. A definição de valores de pressão específicos na faixa de alto e ultra-alto vácuo, portanto, só é possível se a evolução do gás das paredes for insignificante em relação à admissão controlada de gás através da unidade reguladora de pressão. Por esta razão, a regulagem da pressão nesta faixa é normalmente efetuada como regulagem de admissão de gás com um controlador PID elétrico. Válvulas piezoelétricas ou servocontroladas de vazamento variável são usadas como atuadores. Somente válvulas de entrada de gás totalmente metálicas com capacidade de aquecimento devem ser utilizadas para regulagem da pressão abaixo de 10-6mbar.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
