1. Qual é a diferença entre controlo de fluxo e controlo de fluxo de massa?
Werner Alber: O controlo de fluxo mede o volume de um gás por unidade de tempo e é sensível a variações de pressão e temperatura. O controlo de fluxo de massa, por sua vez, mede a massa real do gás e garante valores constantes independentemente das condições ambientais, sendo ideal para aplicações de alta precisão, como na tecnologia médica e na produção de semicondutores.
Resumidamente: Enquanto o controlo de fluxo se concentra no volume, o controlo de fluxo de massa garante que a mesma massa de gás flua continuamente através do sistema, independentemente de influências externas.
2. O que é um controlador de fluxo de massa e como funciona?
Werner Alber: Imagine que tem de fornecer sempre a mesma quantidade de gás num determinado processo. Se ajustar uma válvula reguladora de caudal volumétrico clássica para 10 l/min, só obterá exatamente a mesma quantidade de gás em determinadas condições. Se a temperatura aumentar, o gás expande-se, e em 10 l/min, a massa de gás contida será inferior. Por outro lado, um aumento de pressão faz com que 10 litros contenham um maior número de moléculas. Um controlador de fluxo de massa determina a massa do fluido em circulação. Como a massa de um gás, ao contrário do volume, não é influenciada pela pressão ou pela temperatura, tal permite um controlo extremamente preciso e estável. Desta forma, a quantidade de gás mantém-se constante, com elevada repetibilidade e eficiência. Ao contrário das válvulas reguladoras de fluxo de controlo simples, os controladores de fluxo de massa regulam o fluxo de massa e estabilizam-no ativamente, garantindo condições de processo constantes. Isto faz com que seja a solução ideal para aplicações que exigem alta precisão, dinâmica e segurança de processo.
3. Qual é a diferença entre o modo de funcionamento de um controlador de fluxo de massa e o de uma válvula reguladora de fluxo?
Werner Alber: A principal diferença reside no tipo de regulação utilizado. Os controladores de fluxo de massa operam num circuito de controlo fechado: Regulam continuamente o fluxo de massa atual e ajustam com precisão a válvula para manter constante o ponto de regulação desejado. Uma válvula reguladora de fluxo (como uma válvula de agulha com caudalímetro) é, muitas vezes, ajustada de forma passiva ou manual. Se as condições do processo se alterarem, uma válvula convencional tem de ser ajustada manualmente - ela “não sabe” que algo mudou. Os controladores de fluxo de massa, por sua vez, reagem em tempo real a quaisquer desvios.
Pode dizer-se: O MFC “pensa por si”, enquanto um simples controlador de fluxo não passa de uma regulação fixa predefinida. Na prática, isto traduz-se numa precisão e constância significativamente superiores com os controladores de fluxo de massa, sobretudo quando as condições ambientais não são totalmente estáveis.
4. Que tipos de princípios de medição existem para os controladores de fluxo de massa e como funcionam?
Werner Alber: Um controlador de fluxo de massa (MFC) pode medir o fluxo de gás utilizando diferentes métodos físicos. O método mais utilizado é o princípio térmico (calorimétrico), especialmente em aplicações com gás. Para isso, utilizam-se geralmente os métodos de dissipação térmica (Heat-Loss) e de transferência de calor (Heat-Transfer). Estão também a tornar-se cada vez mais comuns os métodos baseados na diferença de pressão, que permitem uma resposta mais rápida comparativamente aos princípios térmicos. Também é digno de nota o princípio de Coriolis, que mede diretamente o fluxo de massa. A escolha do princípio de medição depende sempre dos requisitos específicos da aplicação.
5. Como é construído um controlador de fluxo de massa e quais componentes contém?
Werner Alber: Um controlador de fluxo de massa é composto por três componentes centrais: Sensores, eletrónica de comando e válvula proporcional como atuador. Os sensores medem o fluxo de massa com base num princípio de medição específico. Os valores obtidos são processados pela tecnologia de comando, que os compara com o valor de referência predefinido. Os desvios são imediatamente detetados e transmitidos à válvula reguladora, que, como atuador, ajusta o fluxo conforme necessário.
Aqui, na Festo, utilizamos a tecnologia piezoelétrica, que permite uma regulação altamente dinâmica, energia eficiente e praticamente sem desgaste. Esta coordenação precisa de todos os componentes permite uma regulação de fluxo exata, estável e reproduzível. O processo é controlado por uma unidade de controlo de nível superior, que sincroniza todos os componentes e efetua ajustes contínuos.
6. Quais as vantagens da tecnologia piezoelétrica nos controladores de fluxo de massa e porque a Festo aposta nesta tecnologia?
Werner Alber: A tecnologia piezoelétrica oferece vantagens decisivas nos controladores de fluxo de massa comparativamente às válvulas solenoide convencionais. Elas possibilitam um controlo de fluxo altamente preciso, eficiente em termos energéticos e com baixo desgaste. As válvulas piezoelétricas utilizam um elemento cerâmico flexível que se deforma quando uma tensão é aplicada, abrindo ou fechando a válvula. Uma das principais vantagens é o consumo de energia extremamente baixo: Assim que a válvula estiver na posição, o atuador piezoelétrico necessita de praticamente nenhuma energia adicional, uma vez que não é necessária uma corrente de retenção. Isto reduz não só a necessidade de energia, mas também impede a geração indesejada de calor em ambientes com controlo de temperatura.
Além disso, as válvulas piezoelétricas funcionam completamente sem ruído, visto não serem necessárias bobinas ou processos de comutação mecânicos. É particularmente vantajoso em ambientes onde é necessário evitar perturbações acústicas. A sua elevada precisão de controlo e rápido tempo de resposta permitem uma regulação sensível e contínua do fluxo de massa. Graças à sua construção compacta, os Mass Flow Controllers com válvulas piezoelétricas podem ser integrados de forma especialmente eficiente em termos de espaço, sendo ideais para aplicações móveis ou em espaços pequenos. Além disso, são duradouros, pois contêm poucas peças móveis e apresentam praticamente nenhum desgaste.
7. Qual o papel dos controladores de fluxo de massa na indústria e em que setores são utilizados?
Werner Alber: Os controladores de fluxo de massa com tecnologia piezoelétrica distinguem-se pelo seu funcionamento sem desgaste, sem ruído e com baixo consumo de energia, sendo particularmente adequados para aplicações onde a estabilidade da temperatura, a regulação precisa e uma longa vida útil são fatores decisivos.
Os MFC desempenham um papel central particularmente na produção de semicondutores. Aqui, gases de processo, como gases de gravação, gases transportadores ou gases de proteção, precisam ser regulados com extrema precisão para a produção de microchips sem falhas. Até as menores variações no fluxo de gás podem causar defeitos nos wafers. Os Mass Flow Controllers regulam o fornecimento preciso de gases de proteção e gases transportadores em câmaras de processo e portas de carga, para minimizar contaminações e garantir condições de processo constantes.
Outro campo fundamental é a tecnologia médica e a tecnologia laboratorial. Em ventiladores ou máquinas de anestesia, os controladores de fluxo de massa regulam com precisão as proporções de mistura de oxigénio e outros gases para os pacientes. Em equipamentos analíticos de laboratório, como cromatógrafos gasosos ou espectrómetros de massas, eles garantem fluxos de gás reproduzíveis para medições de alta precisão.
8. Quais são as inovações e tendências atuais no controlo do fluxo de massa?
Werner Alber: O controlo do fluxo de massa está a evoluir rumo à digitalização, miniaturização e automação energeticamente eficiente. Um avanço na tecnologia dos controladores de fluxo de massa reflete-se na complementaridade dos métodos de medição térmicos com o método de diferença de pressão, mais rápido, que permite um controlo dinâmico.
Outro impulso inovador pode ser observado na miniaturização e no desenvolvimento de novas tecnologias de sensores. As tecnologias MEMS e CMOS permitem sensores de alta precisão com baixo consumo de energia, tornando os controladores de fluxo de massa mais compactos e eficientes. Em geral, os controladores de fluxo de massa tornam-se mais precisos, conectados e flexíveis. Consomem menos energia e podem ser integrados de forma mais eficiente em sistemas de automação modernos - uma contribuição essencial para a pneumática digitalizada.
9. Que recomendações tem para empresas que desejam implementar conceitos inteligentes para o controlo do fluxo de massa ou a automação?
Werner Alber: A chave para um controlo de fluxo de massa eficiente está na precisão, eficiência energética e integração perfeita. As empresas devem avaliar precocemente qual a precisão e os tempos de reação exigidos pelos seus processos. Um ponto central de otimização é o uso de atuadores energeticamente eficientes.
A tecnologia piezoelétrica reduz significativamente o consumo de energia, elimina a geração de calor e permite um controlo preciso e sem desgaste. Além disso, as empresas devem apostar em funções de diagnóstico inteligentes para plenar melhor a manutenção e tornar os processos mais estáveis.
No passo seguinte, recomenda-se uma análise ao sistema: Onde ocorrem perdas? Que componentes estão a funcionar de forma ineficiente? Um aconselhamento direcionado ou um teste com controladores de fluxo de massa modernos proporciona rapidamente esclarecimentos sobre os potenciais de otimização. Soluções digitais e escaláveis aumentam, a longo prazo, a eficiência, a segurança dos processos e a flexibilidade.
Gostaríamos de agradecer a Werner Alber pela conversa esclarecedora e pelos valiosos insights sobre o mundo do controlo de fluxo de massa. A sua experiência deixou claro como a regulação precisa, a conectividade digital e a tecnologia piezoelétrica podem aumentar a eficiência e a segurança do processo em diversas indústrias. As empresas que apostam no controlo de fluxo de massa moderno beneficiam de maior precisão, utilização eficiente da energia e maior segurança do processo, tudo fatores decisivos para uma automação segura e sustentável no futuro.
