Los elementos finales de control son mecanismos que
modifican el valor de una variable que ha sido manipulada como respuesta a una
señal de salida desde un dispositivo de control automático; es decir, se
encarga de manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el
controlador. Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de
control del tipo discretas, tipo batch o continúas.
Los elementos finales de control pueden ser una
válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una
servoválvula, un relé, elementos calefactores de carácter eléctrico o un
amortiguador.
VÁLVULAS DE CONTROL
Su función es variar el flujo de material o energía a
un proceso de control, modificando el valor de la variable de medida,
comportándose como un orificio de área variable. Las válvulas pueden ser
modelas siguiendo una dinámica de segundo orden. Para válvulas pequeñas o de
tamaño medio, la dinámica es tan rápida que se consideran procesos de primer orden.
Las válvulas funcionan según el teorema de Bernoulli.
Válvula
de globo
La válvula de globo es adecuada para utilizarse en una
amplia variedad de aplicaciones, desde el control de caudal hasta el control
abierto-cerrado (On-Off). Cuando el tapón de la válvula está en contacto firme
con el asiento, la válvula está cerrada. Cuando el tapón de la válvula está
alejado del asiento, la válvula está abierta. Por lo tanto, el control de
caudal está determinado no por el tamaño de la abertura en el asiento de la
válvula, sino más bien por el levantamiento del tapón de la válvula.
Válvula
en ángulo
Permite obtener un flujo de caudal regular sin
excesivas turbulencias. Es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es
considerable por las características del fluido o por la excesiva presión
diferencial. Es empleada en fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con
grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en
suspensión.
Válvula
de tres vías
Es una válvula mezcladora de fluidos o que deriva un
flujo de entrada en dos de salida. Se emplean normalmente en el control de
temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de
la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción puede derivar, a través
de la válvula, sin pasar por el intercambiador. Suelen estar dotadas de un
actuador eléctrico, neumático o térmico.
Válvula
de jaula
Es un tipo de válvula de globo. Su nombre se debe a
que el obturador es guiado por una especie de jaula inmersa en el cuerpo de la
válvula. Se caracteriza por el fácil desmontaje del obturador. Se emplea cuando
deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador esta
contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y
al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que,
con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr
así un cierre hermético.
Válvula
de compuerta
Efectúa su cierre con un disco vertical plano o de
forma especial, que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su
disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en
posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy
poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total.
Válvula
en Y
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 con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en
instalaciones criogénicas.
Válvula
de cuerpo partido
Es una modificación de la válvula de globo, el cuerpo
esta partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento, debido
a su disposición permite una fácil sustitución del asiento y ayuda a que el
fluido fluya de forma suave y sin espacios muertos en el cuerpo, es muy útil
para trabajar con fluidos viscosos y en la industria alimentaria.
Válvula
de Saunders
En este tipo de válvula el obturador es una membrana
flexible que a través del vástago es forzada contra un resalte del cuerpo y de
esta manera cerrando el paso del fluido, presenta gran facilidad para
revestirse de goma o plástico para trabajar con fluidos agresivos, aunque
necesita de un servomotor muy potente para su uso.
Válvula de
compresión
Esta
válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles,
ofrece un gran control de cierre parcial y se usa principalmente en el manejo
de fluidos negros corrosivos, viscosos o que contengan partículas sólidas en
suspensión.
Válvula de
obturador excéntrico rotativo
Presenta
un obturador de superficie esférica, se caracteriza por presentar un alto flujo
de caudal, comparado al de las válvulas de mariposa.
Válvula de
obturador cilíndrico excéntrico
Este
tipo de válvula tiene un obturador cilíndrico que se asienta contra un cuerpo
cilíndrico, se logra un cierre hermético con un revestimiento de goma o teflón,
es muy útil para fluidos corrosivos y líquidos viscosos.
Válvula
Mariposa
El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro
del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrarse
herméticamente mediante un anillo de plástico encastrado en el cuerpo. Las
válvulas de mariposa usualmente sirven para aplicaciones de baja presión (125
lbs). Se pueden usar para abrir o cerrar el paso a un fluido o para regularlo
aunque no es completamente recomendable. Se caracterizan por su operación rápida
ya que abren y cierran a ¼ de vuelta.
Válvula
de bola
Las válvulas de bola ofrecen muy buena capacidad de
cierre y son prácticas porque para abrir y cerrar la válvula es tan sencillo
como girar la manivela 90°. Se pueden hacer de 'paso completo', lo que
significa que la apertura de la válvula es del mismo tamaño que el interior de
las tuberías y esto resulta en una muy pequeña caída de presión. Otra
característica principal, es la disminución del riesgo de fuga de la glándula
sello, que resulta debido a que el eje de la válvula solo se tiene que girar
90°. Cabe señalar, sin embargo, que esta válvula es para uso exclusivo en la
posición totalmente abierta ó cerrada. Esta no es adecuada para su uso en una
posición de apertura parcial para ningún propósito, tal como el control de
caudal, debido a que se puede deformar el asiento.
Válvula
de flujo axial
Consisten en un diafragma accionado neumáticamente que
mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un
obturador formado por un material elastómero. Este tipo de válvulas se emplea
para gases y es especialmente silencioso.
La selección
correcta de la válvula proporciona seguridad
En función de los distintos campos de aplicación se
exige que las válvulas cumplan requisitos diferentes. Las propiedades químicas
y físicas del medio con el que se trabaja son decisivas a la hora de elegir el
material de los componentes. Asimismo, los requisitos mecánicos y específicos
del proceso también ejercen una influencia directa sobre la válvula
Por regla general se deben tener en cuenta los datos
del fabricante correspondiente y el efecto recíproco con respecto a la relación
presión de servicio/temperatura.
Ejemplo
Válvula de mariposa
Propiedades
§
Propiedades de
regulación desfavorables
*Empleo según el diseño hasta una presión de servicio
de20 bares y una temperatura de servicio de 180 °C.
*Diseños especiales (p. ej. disco excéntrico
doble/metálico) hasta una presión de servicio de 50 bares y hasta una temperatura
de servicio de 600 °C.
*Apropiada para frecuencia de maniobra reducida.
Propiedades de regulación desfavorables
*Poco peso.
Campos de
aplicación
Apropiada para medios mecánicos limpios, neutros, corrosivos,
líquidos, gaseosos y para vapores.
Campos de
aplicación típicos
*Tratamiento de aguas general (agua filtrada)
*Tratamiento de agua del mar
*Filtros de flujo reversible (agente de lavado)
*Industria procesadora de bebidas
*Sistemas intercambiadores de calor
*Fabricación de vehículos especiales
*Tecnología de climatización y de construcción
*Química
*Espumación de poliestireno y tecnología de embalaje
*Purificación de gases
*Petroquímica
APLICACIONES
INDUSTRIALES DE LAS VÁLVULAS
Industria
embotelladora
Se emplean válvulas de encendido y apagado para el
llenado de líquidos de las botellas.
Válvulas
de presión
Se emplean como brazos neumáticos para automatización
de procesos.
Control
de nivel
Se direcciona el fluido en el sentido deseado según se
requiera.
Control
de caudal
Para evitar pérdida de producto y llenado
en tiempo óptimo de recipientes.
SERVOMOTOR
Un servomotor (también llamado servo) es un
dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de
ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse
estable en dicha posición. El servomotor es un motor eléctrico lleva
incorporado un sistema de regulación que puede ser controlado tanto en
velocidad como en posición.
Servomotores de
rango de giro limitado: son el tipo más
común de servomotor. Permiten una rotación de 180 grados, por lo cual son
incapaces de completar una vuelta completa.
Servomotores de
rotación continua: se caracterizan
por ser capaces de girar 360 grados, es decir, una rotación completa. Su
funcionamiento es similar al de un motor convencional, pero con las
características propias de un servo. Esto quiere decir que podemos controlar su
posició n y velocidad de
giro en un momento dado.
ACTUADOR
Un actuador es un dispositivo capaz de transformar
energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la
finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la
orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para
activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.
Actuadores
mecánicos
Los actuadores mecánicos son dispositivos que
transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la
salida. Los actuadores mecánicos son aplicables para los campos donde se
requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y
posicionamiento lineal.
Hidráulico
Los actuadores hidráulicos son los que han de utilizar
un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el robot pueda
movilizar sus mecanismos. los actuadores hidráulicos se utilizan para robots
grandes, los cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.
Neumático
En los actuadores neumáticos se comprime el aire
abastecido por un compresor, el cual viaja a través de mangueras. Los robots
pequeños están diseñados para funcionar por medio de actuadores neumáticos.
Actuador eléctrico
La estructura de un actuador eléctrico es simple en
comparación con las de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que solo se
requiere de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables
eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y
prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de
poder y el actuador.
ELEMENTOS FINALES
ELECTRONICOS
Estos elementos se comportan de forma parecida a una
válvula de control, varían la corriente en la línea de alimentación a la carga
en la misma forma en que una válvula cambia el caudal de fluido en una tubería.
Amplificador
magnético saturable
Puede describirse básicamente como:
Un dispositivo magnético con un núcleo de láminas de
hierro con dos pares de bobinados uno en serie con la carga llamado bobino de
carga y otro que cambia el fluido magnético del aparato y que se denomina
bobino de control.
Rectificadores
controlados de silicio
Representó una revolución en el control de potencia
por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente
y emplean rectificadores de silicio que bloquean el paso de la corriente en
sentido inverso igual que los convencionales.
Válvula
inteligente
El controlador digital controla la presión manométrica
antes o después del orificio de la válvula y la temperatura o el caudal y envía
la señal de salida al módulo del posicionador electro neumático acoplado al
actuador.
OTROS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Bombas
dosificadoras
Las bombas
dosificadoras son accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos y
utilizadas, principalmente, en el envío de cantidades precisas de líquidos para
mezclas, en casos tales como el control de pH, tratamiento de aguas, adición de
productos en la industria alimenticia, etc., aplicaciones que se caracterizan
por bajos caudales, altas presiones, altas viscosidades, etc.
Actuadores de velocidad
variable
Los actuadores de
velocidad variable gobiernan la velocidad de bombas centrífugas, ventiladores,
compresores, etc., variando así el caudal de ruido y evitando la pérdida de
energía que absorben las válvulas de control.
La señal de salida
del convertidor de frecuencia es una onda senoidal simulada que controla la
velocidad de un motor de inducción asíncrono.
Trabajan con
convertidores de frecuencia que controlan el par y la velocidad de los motores
de inducción y acoplan la curva de la bomba a la pérdida de carga del sistema.
FUENTE DE
INFORMACIÓN
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