Albert Thomas Tecnología de Control Elementos finales de control
Profesor: Maldonado, José Luis Alumnos: Céspedes, Guillermo Usatorre, Matías
2º 10º Electrónica
TECNOLOGÍA DE CONTROL
Año 2009 Elementos Finales de control Algunos Tipos de válvulas
Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación. Válvula de globo (Fig. 1 y 2) 1.- Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño
para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Se emplean cuando la presión del fluido es baja. 2.- En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de
desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que el la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento. Válvula en ángulo (Fig. 4) Está válvula, permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con grandes presiones diferenciales y para fluidos que contienen sólidos en suspensión. Válvula de tres vías (Fig. 5 y 6) Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos (válvulas mezcladoras), o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida (válvulas diversoras). Las válvulas de tres vías intervienen en el control de temperatura de intercambiadores de calor. Válvula de comprensión (Fig. 7) Está válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, por Ej., un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplica principalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en suspensión. Válvula de compuerta (Fig. 8) Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su posición es adecuada 2
TECNOLOGÍA DE CONTROL generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo cuando está en posición de apertura total. Válvula en Y (Fig. 9) Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea principalmente en instalaciones criogénicas. Válvula de cuerpo partido (Fig. 10) Esta válvula es una modificación de la válvula de globo simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita en flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea para fluidos viscosos y en la industria alimentaría. Válvula Saunders (Fig. 11) En la válvula Saunders, el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra en resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o de plástico par trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionado deber ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.
Válvula de obturador excéntrico rotativo (Fig. 12) Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles. El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un servomotor. El par de éste es reducido por el movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador. La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su capacidad de caudal y por su pérdida de carga admisible. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico (Fig. 13) Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula es de bajo costo y tiene una capacidad relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión. 3
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Válvula de orificio ajustable El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que está perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede así fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo. La válvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquido, vapor, aire comprimido y líquidos en general.
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Servomotores
Los servomotores pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales. El primero y el segundo son lo más usados por su facilidad de manejo. Brevemente se explicara no con muchos detalles el funcionamiento de cada uno de los ya mencionados. Servomotor hidráulico Los servomotores hidráulicos consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a una servoválvula. La señal del instrumento de control actúa sobre la servoválvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados del pistón actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta de la válvula. Se caracterizan por ser extremadamente rápidos, potentes y suaves, si bien su costo es elevado, por lo que sólo se emplean cuando los servomotores neumáticos no puedes cumplir con las especificaciones de servicio. Servomotor digital Las válvulas digitales disponen de compuertas neumáticas accionadas por electroválvulas que, a su vez, son excitadas por la señal de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es muy rápida (una compuesta 500 ms), y el grado de abertura depende de la combinación de las compuertas (8 compuertas darán 1, 2, 4,..., 128 relaciones de capacidad). Aunque estas válvulas están limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, presentan interés para el mando digital directo, si bien su velocidad de apertura instantánea no representa una ventaja esencial frente a las válvulas neumáticas industriales (5 a 20 segundos según el tamaño), y su costo es elevado. Servomotor neumático El servomotor neumático consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi; las posiciones extremas de la válvula corresponde a 3 y 15 psi. Al aplicar presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de modo que el mecanismo empieza a moverse hasta que se llega a un equilibrio entre la
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TECNOLOGÍA DE CONTROL fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte. En la válvula existe un equilibrio entre las diversas fuerzas, y se expresa de la siguiente manera:
En la que: = Fuerza resultante obtenida por el servomotor, en Kg. = Fuerza de razonamiento, en Kg. = Fuerza de asentamiento, en Kg. = Peso de obturador, en Kg. = Fuerza elástica del fuelle de estanqueidad, en Kg. = Fuerza de desequilibrio del fuelle de estanqueidad, en Kg. = Fuerza estática y dinámica sobre el obturador, en Kg. Acción del muelle en oposición al diafragma En válvulas de acción directa (aire cierra) cuanto más bajo sea el campo de trabajo del muelle tanta más fuerza se dispondrá para la misma señal neumática. Disminuyendo la compresión inicial de muelle se obtiene una compresión final más baja. Obturador de movimiento circular (Fig. a) Las válvulas con obturador de movimiento circular y con servomotor de acoplamiento directo con oscilación libre de vástago, sólo tienen un razonamiento en la estopada sobre la superficie en contacto con el árbol de giro del obturador. La fuerza de asentamiento permite cerrar la válvula y así poder tener una fuga mínima que depende del grado de mecanización del asiento y del obturador.
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TECNOLOGÍA DE CONTROL La fuerza de asentamiento en Kg. equivale aproximadamente a 0,25-0,75 veces la circunferencia del asiento. En una fórmula general se puede aplicar su valor medio que es de 0,5. En la que: = Fuerza de asentamiento, en Kg. = Interior de asiento, en cm.
Servomotor eléctrico El servomotor eléctrico es un motor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes. El motor se caracteriza por su par y por el tiempo requerido para hacer pasar a la válvula de la posición abierta a la cerrada. Existen tres tipos de circuitos eléctricos de control: todo-nada, flotante y proporcional. 1.- El circuito todo-nada consiste en un motor eléctrico unidireccional acoplado al vástago de la válvula con una leva que fija el principio y el final de la rotación del motor, por acción de los dos interruptores de final de carrera S1 y S2.
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TECNOLOGÍA DE CONTROL 2.- El circuito flotante es un motor eléctrico bidireccional con interruptores de fin de carrera, acoplado al vástago de la válvula. El interruptor del controlador flota entre los dos contactos de accionamiento. El motor gira según que el controlador cierre contacto correspondiente y se para si el contacto móvil no toca ninguno de los fijos o bien cuando llega al final de su carrera. 3.- El circuito proporcional esta formado por un motor bidireccional, un relé de equilibrio y un potenciómetro de equilibrio. El controlador es un potenciómetro cuyo brazo móvil se mueve de acuerdo con el valor de la variable en proceso. L corazón del circuito es el relé de equilibrio. Accesorios
La válvula de control puede tener acoplados diversos tipos de accesorios para realizar funciones adicionales de control. En los mismos se encuentra los que siguen. Camisa de calefacción: Para los fluidos que exigen una temperatura mínima de trabajo (superior a la ambiente) por debajo de la cual se destruyen o se solidifican haciendo imposible el trabajo normal del proceso, es necesario disponer de camisas en el cuerpo o bien incluso en la tapa (tenga o no ésta fuelle de estanqueidad) para permitir la entrada continua de vapor de calefacción.
Posicionador: Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula de control influyen en la posición del vástago de la válvula y hacen que el control sea errático e incluso inestable: Estas fuerzas son las siguientes: 1.- Fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empaquetadura. 2.- Fuerza estática del fluido compensarse empleando el Posicionador. El posicionador es generalmente un instrumento neumático del tipo de equilibrio de fuerzas. Volante de accionamiento (Ver figura nº 1) En los casos en que se exige la máxima seguridad de funcionamiento de una instalación y el proceso debe continuar trabajando independientemente de las averías que puedan producirse en el bucle de control es necesario 8
TECNOLOGÍA DE CONTROL mantener un control de la apertura de la válvula en condiciones de fallo de aire. El volante de accionamiento manual permite realizar esta función; puede ser superior o lateral. Repetidor (Ver figura nº 2) El repetidor o booster reduce el tiempo de transmisión de la señal en el bucle de control. Los retardos en la transmisión del controlador a la válvula son debidos a la resistencia interna del controlador, a la capacidad y resistencia del tubo de conexión y a la gran capacidad del servomotor de la válvula. El repetidor es esencialmente un convertidor P/P (presión neumática a presión neumática) de razón 1:1 alimentado con aire con un volumen de entrada muy pequeño y con una gran capacidad de entrega de caudal de aire.
Fig. Volante de a.m
FIG. Fig. Repetidor
Vaporización (flashing)
El líquido, de acuerdo con su presión y su temperatura, puede existir en estado líquido o de vapor. A temperaturas inferiores al punto de ebullición es un líquido y a temperaturas superiores es un vapor. Por otro lado, el punto de ebullición es función de la presión; cuanta más alta sea esta, tanto mayor es la temperatura del punto de ebullición. En el agua caliente, a una temperatura próxima a la de saturación, consideraciones termodinámicas indican que a la salida de la válvula existirá una mezcla de agua y de vapor. Para la determinación del coeficiente de la válvula se calcula empíricamente la pérdida de carga admisible y se compara con la real, utilizando en el cálculo la más pequeña de las dos. 1.- Si la temperatura de entrada es inferior en menos de 2,8º C a la temperatura de saturación del agua, es decir, si = 0.06 .
T < 2,8º C (5º F), la pérdida de carga admisible es:
P
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TECNOLOGÍA DE CONTROL 2.- Cuando la temperatura de entrada es inferior en más de 2,8º C a la temperatura de saturación del agua, es decir, si = 0,9 ( - )
T > 2,8 C (5º F), la pérdida de carga admisible es:
P
En estas fórmulas: T = diferencia entre temperatura de saturación correspondiente a la presión de entrada y la temperatura de entrada en º C. = presión de entrada en bar absolutos. = presión de saturación correspondiente a la temperatura de entrada en kilogramo por centímetro cuadrado absolutos.
Cavitación
En la estrangulación de la vena de líquido, llamada zona de la vena contraída, el fluido alcanza su máxima velocidad y su mínima presión. Si esta zona, la velocidad es suficiente, la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado, formando por tanto burbujas de vapor que colapsan (implosión) si a la salida de la válvula la presión es superior a la presión de saturación del líquido. Este fenómeno de formación continua de burbujas de vapor y su desaparición a la salida de la válvula recibe el nombre de cavitación. La cavitación se inicia a presiones estáticas algo superiores a la presión de vapor del líquido. La cavidades que nacen dentro del líquido y que colapsan súbitamente limitan la capacidad de la válvula a partir de un determinado caudal crítico y pueden generar ruidos y vibraciones excesivos con el peligro de causar daños mecánicos graves provocados por el impacto de las burbujas de vapor en implosión con alguna parte sólida de la válvula o de la tubería; la energía liberada por las burbujas es lo suficientemente grande como para destruir el material o la superficie de protección en poco tiempo. La cavitación debe pues evitarse y desaparece cuando la presión en la vena contraída es superior a la tensión de vapor.
Rectificadores controlados de silicio
Los rectificadores de silicio o tiristores sustituyeron gradualmente al amplificador magnético por sus mejores características.
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TECNOLOGÍA DE CONTROL Estos bloquean al paso de la corriente en sentido inverso y también bloquean en sentido directo hasta tanto no se aplica una pequeña señal en el cable de control o puerta. Una vez que el rectificador pasa al estado de conducción la señal puede desconectarse y aquél continuara en el mismo estado en tanto la corriente no cambie de sentido. No hay nuevo paso de corriente si la excitación no <> nuevamente el rectificador. Existen dos sistemas de encendido: 1) Sistema de ángulo de desfase. 2) Sistema de encendido discreto por paso de cero. 1.- En el sistema de ángulo de fase, la carga se alimenta con una corriente alterna recortada en un porcentaje controlado en cada ciclo. La señal de puerta que selecciona la parte deseada de potencia de esta corriente de alimentación de la carga, es un impulso de corta duración y a la misma frecuencia de la corriente según el ángulo de encendido.
Para aprovechar el hemiciclo negativo se suele utilizar otro elemento SCR en oposición o bien su equivalente, una unidad triac.
TRIAC
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El sistema de encendido de ángulo de fase puede aplicarse en el control de cargas resistivas e inductivas. En las dos figuras superiores se representa el control de éstas con las ondas de tensión y corriente correspondiente. Se observará que la forma de la onda de la corriente de carga tiene muchos armónicos debido a que queda recortada. Esta forma de onda produce interferencias electromagnéticas ya que la corriente de carga crece abruptamente al pasar del valor cero al valor nominal en unos pocos microsegundos, desarrollando así unas potencias transitorias y una distorsión importantes que pueden afectar el funcionamiento de otros aparatos de control que se alimenten de la misma fuente. 2.- En el circuito de encendido discreto por paso de cero la corriente alterna es entregada a la carga en forma de paquetes de ondas discontinuas. Este tren de ondas se genera mediante una excitación continua o bien por medio de impulsos sincronizados que actúan antes de que la tensión de línea cruce el valor cero, en lugar de un impulso sincronizado en fase como ocurría en el sistema de ángulo de fase. La señal de excitación mantiene al tiristor o el triac encendidos y al anularse aquélla, éstos dejan de conducir. El circuito de encendido discreto se emplea con preferencia para cargas resistivas en calentamiento de hornos. Las unidades SCR requieren un sistema de protección para limitar la corriente de carga, en particular en el calentamiento de hornos donde el valor de las resistencias de calefacción varía del estado frío al estado caliente o de régimen. Los rectificadores de silicio controlado van provistos de indicadores del porcentaje de corriente de carga graduados 0-100% de un conmutador automático manual y de un mando manual para el ajuste de la carga. Características de aplicación: 1) Ganancia extremadamente alta con un límite de 10000 o superior. 2) Su linealidad es excelente, de 2% en todo el campo de medida. 3) Su salida mínima es de 0 V. Ello indica que la potencia de alimentación a la carga puede anularse completamente. 4) Bajas caídas de tensión de modo que a la carga puede aplicársele de 96 a 99% de la tensión de línea. 5) El tiempo de respuesta es corto, del orden de varios ciclos (1/50 s). 12
TECNOLOGÍA DE CONTROL 6) Son de pequeño tamaño. 7) Necesitan una protección contra corrientes transitorias. 8) Su potencia nominal debe disminuirse si aumenta la temperatura del servicio. Válvula Inteligente
Esta válvula tiene grabada en una memoria ROM la variación de correspondiente al intervalo 0 al 100% de abertura de la válvula y el valor del factor de recuperación , lo que permite conocer y controlar el caudal que está pasando a través de la válvula, el microprocesador calcula el caudal utilizando las fórmulas correspondiente. Como se muestra en la siguiente figura. Puede aceptar la entrada del valor extremo del punto de consigna y la comunicación digital a través de la interfaz RS-485 con el protocolo adecuado para comunicarse con los sistemas de control distribuido. La válvula inteligente puede efectuar un diagnóstico de sí misma al medir la carrera del vástago y las presiones del actuador. Además permite llevar el proceso a una condición de seguridad en el caso de problemas graves.
Otros elementos finales
Debido a que las válvulas tienen una desventaja, que es la pérdida de energía que absorbe para el proceso. Existen otros elementos que se caracterizan por su velocidad llamados bombas centrífugas, ventiladores, compresores, etc.
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