válvula inteligente

Albert ThomasTecnologa de Control Elementos finales de control

Profesor: Maldonado, Jos Luis Alumnos: Cspedes, Guillermo Usatorre, Matas

2 10 Electrnica

TECNOLOGA DE CONTROL

Ao 2009 Elementos Finales de controlAlgunos Tipos de vlvulasLas vlvulas pueden ser de varios tipos segn sea el diseo del cuerpo y el movimiento del obturador. Las vlvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la direccin de su propio eje se clasifican como se especifica a continuacin. Vlvula de globo (Fig. 1 y 2) 1.- Las vlvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamao para que el obturador cierre en contra de la presin diferencial del proceso. Se emplean cuando la presin del fluido es baja. 2.- En la vlvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presin diferencial a travs del obturador es menor que el la vlvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en vlvulas de gran tamao o bien cuando deba trabajarse con una alta presin diferencial. En posicin de cierre las fugas son mayores que en una vlvula de simple asiento. Vlvula en ngulo (Fig. 4) Est vlvula, permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosin cuando sta es considerable por las caractersticas del fluido o por la excesiva presin diferencial. El diseo de la vlvula es idneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con grandes presiones diferenciales y para fluidos que contienen slidos en suspensin. Vlvula de tres vas (Fig. 5 y 6) Este tipo de vlvula se emplea generalmente para mezclar fluidos (vlvulas mezcladoras), o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida (vlvulas diversoras). Las vlvulas de tres vas intervienen en el control de temperatura de intercambiadores de calor. Vlvula de comprensin (Fig. 7) Est vlvula funciona mediante el pinzamiento de dos o ms elementos flexibles, por Ej., un tubo de goma. Igual que las vlvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un ptimo control en posicin de cierre parcial y se aplica principalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partculas slidas en suspensin. Vlvula de compuerta (Fig. 8) Esta vlvula efecta su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su posicin es adecuada

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TECNOLOGA 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 est en posicin de apertura total. Vlvula en Y (Fig. 9) Es adecuada como vlvula de cierre y de control. Como vlvula todo-nada se caracteriza por su baja prdida de carga y como vlvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una caracterstica de autodrenaje cuando est instalada inclinada con un cierto ngulo. Se emplea principalmente en instalaciones criognicas. Vlvula de cuerpo partido (Fig. 10) Esta vlvula es una modificacin de la vlvula de globo simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales est presionado el asiento. Esta disposicin permite una fcil sustitucin del asiento y facilita en flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea para fluidos viscosos y en la industria alimentara. Vlvula Saunders (Fig. 11) En la vlvula Saunders, el obturador es una membrana flexible que a travs de un vstago unido a un servomotor, es forzada contra en resalte del cuerpo cerrando as el paso del fluido. La vlvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fcilmente de goma o de plstico par trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionado deber ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos qumicos difciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo slidos en suspensin.

Vlvula de obturador excntrico rotativo (Fig. 12) Consiste en un obturador de superficie esfrica que tiene un movimiento rotativo excntrico y que est 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 vstago de un servomotor. El par de ste es reducido por el movimiento excntrico de la cara esfrica del obturador. La vlvula puede tener un cierre estanco mediante aros de tefln dispuestos en el asiento y se caracteriza por su capacidad de caudal y por su prdida de carga admisible. Vlvula de obturador cilndrico excntrico (Fig. 13) Esta vlvula tiene un obturador cilndrico excntrico que asienta contra un cuerpo cilndrico. El cierre hermtico se consigue con un revestimiento de goma o tefln en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La vlvula es de bajo costo y tiene una capacidad relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos y lquidos viscosos o conteniendo slidos en suspensin.

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Vlvula de orificio ajustable El obturador de esta vlvula consiste en una camisa de forma cilndrica que est 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 vlvula controlando as el caudal. La vlvula incorpora adems una tajadera cilndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede as fijarse manualmente en una posicin determinada para limitar el caudal mximo. La vlvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal mximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre lmites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o lquido, vapor, aire comprimido y lquidos en general.

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ServomotoresLos servomotores pueden ser neumticos, elctricos, hidrulicos y digitales. El primero y el segundo son lo ms usados por su facilidad de manejo. Brevemente se explicara no con muchos detalles el funcionamiento de cada uno de los ya mencionados. Servomotor hidrulico Los servomotores hidrulicos consisten en una bomba de accionamiento elctrico que suministra fluido hidrulico a una servovlvula. La seal del instrumento de control acta sobre la servovlvula que dirige el fluido hidrulico a los dos lados del pistn actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentacin, la posicin exacta de la vlvula. Se caracterizan por ser extremadamente rpidos, potentes y suaves, si bien su costo es elevado, por lo que slo se emplean cuando los servomotores neumticos no puedes cumplir con las especificaciones de servicio. Servomotor digital Las vlvulas digitales disponen de compuertas neumticas accionadas por electrovlvulas que, a su vez, son excitadas por la seal de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es muy rpida (una compuesta 500 ms), y el grado de abertura depende de la combinacin de las compuertas (8 compuertas darn 1, 2, 4,..., 128 relaciones de capacidad). Aunque estas vlvulas estn limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, presentan inters para el mando digital directo, si bien su velocidad de apertura instantnea no representa una ventaja esencial frente a las vlvulas neumticas industriales (5 a 20 segundos segn el tamao), y su costo es elevado. Servomotor neumtico El servomotor neumtico consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi; las posiciones extremas de la vlvula corresponde a 3 y 15 psi. Al aplicar presin 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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TECNOLOGA DE CONTROL fuerza ejercida por la presin del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte. En la vlvula 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 elstica del fuelle de estanqueidad, en Kg. = Fuerza de desequilibrio del fuelle de estanqueidad, en Kg. = Fuerza esttica y dinmica sobre el obturador, en Kg. Accin del muelle en oposicin al diafragma En vlvulas de accin directa (aire cierra) cuanto ms bajo sea el campo de trabajo del muelle tanta ms fuerza se dispondr para la misma seal neumtica. Disminuyendo la compresin inicial de muelle se obtiene una compresin final ms baja. Obturador de movimiento circular (Fig. a) Las vlvulas con obturador de movimiento circular y con servomotor de acoplamiento directo con oscilacin libre de vstago, slo tienen un razonamiento en la estopada sobre la superficie en contacto con el rbol de giro del obturador. La fuerza de asentamiento permite cerrar la vlvula y as poder tener una fuga mnima que depende del grado de mecanizacin del asiento y del obturador.

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La fuerza de asentamiento en Kg. equivale aproximadamente a 0,25-0,75 veces la circunferencia del asiento. En una frmula 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 elctrico El servomotor elctrico es un motor elctrico acoplado al vstago de la vlvula a travs de un tren de engranajes. El motor se caracteriza por su par y por el tiempo requerido para hacer pasar a la vlvula de la posicin abierta a la cerrada. Existen tres tipos de circuitos elctricos de control: todo-nada, flotante y proporcional. 1.- El circuito todo-nada consiste en un motor elctrico unidireccional acoplado al vstago de la vlvula con una leva que fija el principio y el final de la rotacin del motor, por accin de los dos interruptores de final de carrera S1 y S2.

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TECNOLOGA DE CONTROL 2.- El circuito flotante es un motor elctrico bidireccional con interruptores de fin de carrera, acoplado al vstago de la vlvula. El interruptor del controlador flota entre los dos contactos de accionamiento. El motor gira segn que el controlador cierre contacto correspondiente y se para si el contacto mvil 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 rel de equilibrio y un potencimetro de equilibrio. El controlador es un potencimetro cuyo brazo mvil se mueve de acuerdo con el valor de la variable en proceso. L corazn del circuito es el rel de equilibrio.

AccesoriosLa vlvula 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 calefaccin: Para los fluidos que exigen una temperatura mnima 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 sta fuelle de estanqueidad) para permitir la entrada continua de vapor de calefaccin.

Posicionador: Las fuerzas de desequilibrio que actan en la vlvula de control influyen en la posicin del vstago de la vlvula y hacen que el control sea errtico e incluso inestable: Estas fuerzas son las siguientes: 1.- Fuerza de rozamiento del vstago al deslizarse a travs de la empaquetadura. 2.- Fuerza esttica del fluido compensarse empleando el Posicionador. El posicionador es generalmente un instrumento neumtico del tipo de equilibrio de fuerzas. Volante de accionamiento (Ver figura n 1) En los casos en que se exige la mxima seguridad de funcionamiento de una instalacin y el proceso debe continuar trabajando independientemente de las averas que puedan producirse en el bucle de control es necesario

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TECNOLOGA DE CONTROL mantener un control de la apertura de la vlvula en condiciones de fallo de aire. El volante de accionamiento manual permite realizar esta funcin; puede ser superior o lateral. Repetidor (Ver figura n 2) El repetidor o booster reduce el tiempo de transmisin de la seal en el bucle de control. Los retardos en la transmisin del controlador a la vlvula son debidos a la resistencia interna del controlador, a la capacidad y resistencia del tubo de conexin y a la gran capacidad del servomotor de la vlvula. El repetidor es esencialmente un convertidor P/P (presin neumtica a presin neumtica) de razn 1:1 alimentado con aire con un volumen de entrada muy pequeo y con una gran capacidad de entrega de caudal de aire.

Fig. Volante de a.m

FIG. Fig. RepetidorVaporizacin (flashing) El lquido, de acuerdo con su presin y su temperatura, puede existir en estado lquido o de vapor. A temperaturas inferiores al punto de ebullicin es un lquido y a temperaturas superiores es un vapor. Por otro lado, el punto de ebullicin es funcin de la presin; cuanta ms alta sea esta, tanto mayor es la temperatura del punto de ebullicin. En el agua caliente, a una temperatura prxima a la de saturacin, consideraciones termodinmicas indican que a la salida de la vlvula existir una mezcla de agua y de vapor. Para la determinacin del coeficiente de la vlvula se calcula empricamente la prdida de carga admisible y se compara con la real, utilizando en el clculo la ms pequea de las dos.

1.- Si la temperatura de entrada es inferior en menos de 2,8 C a la temperatura de saturacin del agua, es decir, si = 0.06 . T < 2,8 C (5 F), la prdida de carga admisible es: P

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2.- Cuando la temperatura de entrada es inferior en ms de 2,8 C a la temperatura de saturacin del agua, es decir, si = 0,9 ( - ) En estas frmulas: T = diferencia entre temperatura de saturacin correspondiente a la presin de entrada y la temperatura de entrada en C. = presin de entrada en bar absolutos. = presin de saturacin correspondiente a la temperatura de entrada en kilogramo por centmetro cuadrado absolutos.Cavitacin En la estrangulacin de la vena de lquido, llamada zona de la vena contrada, el fluido alcanza su mxima velocidad y su mnima presin. Si esta zona, la velocidad es suficiente, la tensin de vapor del lquido llega a ser inferior a la presin del vapor saturado, formando por tanto burbujas de vapor que colapsan (implosin) si a la salida de la vlvula la presin es superior a la presin de saturacin del lquido. Este fenmeno de formacin continua de burbujas de vapor y su desaparicin a la salida de la vlvula recibe el nombre de cavitacin. La cavitacin se inicia a presiones estticas algo superiores a la presin de vapor del lquido. La cavidades que nacen dentro del lquido y que colapsan sbitamente limitan la capacidad de la vlvula a partir de un determinado caudal crtico y pueden generar ruidos y vibraciones excesivos con el peligro de causar daos mecnicos graves provocados por el impacto de las burbujas de vapor en implosin con alguna parte slida de la vlvula o de la tubera; la energa liberada por las burbujas es lo suficientemente grande como para destruir el material o la superficie de proteccin en poco tiempo. La cavitacin debe pues evitarse y desaparece cuando la presin en la vena contrada es superior a la tensin de vapor.

T > 2,8 C (5 F), la prdida de carga admisible es:

P

Rectificadores controlados de silicio Los rectificadores de silicio o tiristores sustituyeron gradualmente al amplificador magntico por sus mejores caractersticas.

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TECNOLOGA DE CONTROL Estos bloquean al paso de la corriente en sentido inverso y tambin bloquean en sentido directo hasta tanto no se aplica una pequea seal en el cable de control o puerta. Una vez que el rectificador pasa al estado de conduccin la seal puede desconectarse y aqul continuara en el mismo estado en tanto la corriente no cambie de sentido. No hay nuevo paso de corriente si la excitacin no nuevamente el rectificador. Existen dos sistemas de encendido: 1) Sistema de ngulo de desfase. 2) Sistema de encendido discreto por paso de cero. 1.- En el sistema de ngulo de fase, la carga se alimenta con una corriente alterna recortada en un porcentaje controlado en cada ciclo. La seal de puerta que selecciona la parte deseada de potencia de esta corriente de alimentacin de la carga, es un impulso de corta duracin y a la misma frecuencia de la corriente segn el ngulo de encendido.

Para aprovechar el hemiciclo negativo se suele utilizar otro elemento SCR en oposicin o bien su equivalente, una unidad triac.

TRIAC

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El sistema de encendido de ngulo de fase puede aplicarse en el control de cargas resistivas e inductivas. En las dos figuras superiores se representa el control de stas con las ondas de tensin y corriente correspondiente. Se observar que la forma de la onda de la corriente de carga tiene muchos armnicos debido a que queda recortada. Esta forma de onda produce interferencias electromagnticas ya que la corriente de carga crece abruptamente al pasar del valor cero al valor nominal en unos pocos microsegundos, desarrollando as unas potencias transitorias y una distorsin 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 excitacin continua o bien por medio de impulsos sincronizados que actan antes de que la tensin de lnea cruce el valor cero, en lugar de un impulso sincronizado en fase como ocurra en el sistema de ngulo de fase. La seal de excitacin mantiene al tiristor o el triac encendidos y al anularse aqulla, stos 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 proteccin para limitar la corriente de carga, en particular en el calentamiento de hornos donde el valor de las resistencias de calefaccin vara del estado fro al estado caliente o de rgimen. Los rectificadores de silicio controlado van provistos de indicadores del porcentaje de corriente de carga graduados 0-100% de un conmutador automtico manual y de un mando manual para el ajuste de la carga. Caractersticas de aplicacin: 1) Ganancia extremadamente alta con un lmite de 10000 o superior. 2) Su linealidad es excelente, de 2% en todo el campo de medida. 3) Su salida mnima es de 0 V. Ello indica que la potencia de alimentacin a la carga puede anularse completamente. 4) Bajas cadas de tensin de modo que a la carga puede aplicrsele de 96 a 99% de la tensin de lnea. 5) El tiempo de respuesta es corto, del orden de varios ciclos (1/50 s).

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TECNOLOGA DE CONTROL 6) Son de pequeo tamao. 7) Necesitan una proteccin contra corrientes transitorias. 8) Su potencia nominal debe disminuirse si aumenta la temperatura del servicio. Vlvula Inteligente Esta vlvula tiene grabada en una memoria ROM la variacin de correspondiente al intervalo 0 al 100% de abertura de la vlvula y el valor del factor de recuperacin , lo que permite conocer y controlar el caudal que est pasando a travs de la vlvula, el microprocesador calcula el caudal utilizando las frmulas correspondiente. Como se muestra en la siguiente figura. Puede aceptar la entrada del valor extremo del punto de consigna y la comunicacin digital a travs de la interfaz RS-485 con el protocolo adecuado para comunicarse con los sistemas de control distribuido. La vlvula inteligente puede efectuar un diagnstico de s misma al medir la carrera del vstago y las presiones del actuador. Adems permite llevar el proceso a una condicin de seguridad en el caso de problemas graves.

Otros elementos finales Debido a que las vlvulas tienen una desventaja, que es la prdida de energa que absorbe para el proceso. Existen otros elementos que se caracterizan por su velocidad llamados bombas centrfugas, ventiladores, compresores, etc.

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