VIII.-VALVULAS DE CONTROL

Introducción
• ¿Qué es una válvula de control?
• Tipos de válvulas
• Válvulas de corte de flujo
• Válvulas de regulación
• Válvulas de aplicación especial
• Actuadores
• Dispositivos de control
• Tecnología de aplicación

¿QUÉ ES UNA VÁLVULA DE CONTROL?
Dispositivo de control automático que sirven para modificar el caudal del fluido al valor que especifica el controlador.

Una válvula de control, consta de una válvula, un actuador y posiblemente, uno o más dispositivos de control de válvulas.

¿QUÉ ES UNA VÁLVULA?
Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de una tubería. Este proceso puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta de flujo (válvula totalmente abierta), y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.

PARTES INTERNAS DE UNA VÁLVULA

- Vástago

- Empaquetadura

- Collarín de lubricación

- Anillos de guía del vástago

- Obturador

- Asiento o asientos


El cuerpo de la válvula esta provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería.

El obturador y el asiento constituyen el “Corazón de la Válvula“ al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido.

El obturador está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y puede ser accionado por un servomotor.

TIPOS DE VÁLVULAS

Válvulas de corte de flujo

El órgano de cierre ocupa prácticamente toda la sección de la conducción.
Al estar completamente abiertas no se producen pérdidas de presión ni aumento de velocidad.

Válvulas de regulación

El órgano de cierre es de menor tamaño y actúa sobre una sección reducida, inferior a la de la tubería.
Provocan una pérdida de presión mayor, alcanzándose velocidades también mayores.
El fluido es obligado normalmente a cambiar de dirección, debiendo recorrer un camino tortuoso, por lo que las pérdidas de carga permanentes pueden ser considerables.
Válvulas de aplicaciones especiales


VÁLVULAS DE CORTE DE FLUJO

Válvula de compuerta

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 disposición es adecuada generalmente para el control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse

Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo del fluido cuando esta en posición de apertura total.

Válvula en mariposa

El cuerpo esta formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular.
La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma empotrado en el cuerpo.
Se necesita una gran fuerza del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada.
Uso: control de grandes caudales de fluidos a baja presión.

Válvula en bola y troncocónica

El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma esférica o cónica. La válvula tiene un corte adecuado que fija la curva característica de la válvula, y gira transversalmente.

El cierre hermético se logra mediante un aro de “resina anti-adherente” ó “fluoropolímero” incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula esta cerrada.
Aplicación: principalmente en control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión.

Válvula de retención

Sólo permiten el paso de fluido en un solo sentido. Se abren debido a la presión del fluido que circula en un determinado sentido; cuando se detiene el flujo o tiende a invertirse, la válvula cierra automáticamente por gravedad o por medio de un resorte que presiona la pieza móvil.
Tipos: de bola, de elevación y de bisagra.

IX.-CONTROLADORES

Control proporcional

En el sistema de control proporcional existe una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control; es decir, la válvula se mueve uniformemente por cada unidad de desviación. En otros términos, la curva que sigue la válvula de control es semejante a la curva correspondiente de la variable.

En la figura puede verse la forma en que actúa un controlador proporcional cuyo punto de consigna es 150ºC y su intervalo de actuación de 100-200ºC. La válvula esta en sus posiciones extremas a 100ºC o menos y a 200ºC o mas, entre 100 y 200ºC se desplaza proporcionalmente al valor de la variable controlada( por ejemplo a 125ºC esta abierta en un 75% y a 150ºC en un 50%)


La ganancia del controlador proporcional es la relación entre l variación en la señal y el error que la produce( diferencia entre la variable y el punto de consigna). Se emplea también, el termino de banda proporcional, que es la inversa de la ganancia:



Banda proporcional:
Es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar una carrera completa del elemento final de control. En la fig. puede verse varios de la BP representados gráficamente.
Control proporcional + integral

En el control integral, el elemento final se mueve de acuerdo con una función integral en el tiempo de la variable controlada( o suma de las áreas de desviación entre la variable y el punto de consigna)

La acción integral se define por el llamado “tiempo de acción integral” que es el intervalo de tiempo en que, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal de salida debida a la acción integral iguala a la parte a la acción proporcional. En la fig. puede verse gráficamente la obtención de τi. El tiempo de acción integral en minutos equivalente a “minutos por repetición de la acción proporcional”. También se acostumbra a expresar la acción integral en “repeticiones por minuto”, que es el numero de veces por minuto que se repita la acción proporcional y es el reciproco matemático de minutos por repetición.


Control proporcional + derivado


En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final del control. Es decir, el movimiento de la válvula es proporcional a la velocidad de cambio de la variable, por ejemplo la temperatura, cuanto mas rápidamente varíe está, tanto mas se moverá la válvula.

Derivada es la variación de la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo determinado mientras se mantiene constante la variable medida y todas las condiciones ambientales.








DERIVADA
PROPORCIONAL
VARIABLE
CARGA
TIEMPO








CONSIGNA
MEDIDA
A
C
D


B
E
b
a





ALIMENTACION
Controlador de acción proporcional+derivada.



El factor a señalar en la acción derivada es que al oponerse ésta a todas las variaciones, posee un gran efecto de estabilización, si bien no elimina el offset característico del sistema de posición proporcional. Por este motivo la regularización derivada suele emplearse con la integral.

Ante un error entre la variable y el punto de consigna, la realimentación del fuelle proporcional da lugar a un desplazamiento a nivel de la tobera de:




Con


Luego




El factor de amplificación o ganancia de la realimentación a nivel de la tobera

La ganancia a la relación

En la acción derivada modificada con fuelle interno, representada en la figura siguiente parte del fuelle de realimentación responde a las variaciones de la presión de salida y la parte restante actúa con retardo debido a la restricción .


a
a

b
A
Consigna
Medida
Acción derivada modificada con fuelle interno.
La acción derivada con fuelle externo se comporta de modo similar al anterior.



Control proporcional integral derivativo


Un control PID neumático dispone de dos fuelles (proporcional de realimentación negativa e integral con realimentación positiva) y dos restricciones (integral y derivativo)


La unión en un circuito de los 3 controlador da lugar a un instrumento electrónico proporcional + integral + derivativo. El circuito simplificado consiste en un modulo proporcional más integral- donde se fija la ganancia o banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna y se selecciona la acción directa o la inversa del controlador – y un modulo de acción derivada modificada donde se encuentra el potenciómetro de acción derivada.


Según la disposición de las restricciones se obtienen los tres controles PID en las figuras
Simétrico
Asimétrico
Asimétrico con realimentación positiva


Controlador PID simétrico

Para determinar la ecuación llamaremos d e i los desplazamientos a nivel de la tobera de los fuelles de la derecha con realimentación positiva (integral) y de la izquierda con realimentación negativa (proporcional) de la figura anterior. Se tiene:


Y como antes el error eentre la variable medida y el punto de consigna, el desplazamiento inicial de la tobera que es Ke, resulta
Resolviendo las ecuaciones anteriores


Integrando ambos miembros

Despreciando la constante de integración y sustituyendo

Con lo que se obtiene


Como expresiones de la ganancia, tiempo de acción integral y tiempo de acción derivada de un controlador ideal equivalente. Se ve claramente que en el controlador PID simétrico existe interacción entre los ajustes de las interacciones PID , es decir que un cambio en el ajuste de una acción influirá en las otras siendo muy laborioso conseguir un ajuste optimo para que el controlador ante una perturbación lleve rápidamente y con el mínimo de oscilaciones la variable controlada.


Controlador PID asimétrico
Considerando el conjunto de de los dos fuelles después de la restricción Rd
Se tienen las siguientes ecuaciones
Además

Resolviendo las ecuaciones anteriores

Con lo que se obtiene

La interacción entre las acciones de este dispositivo de este controlador no ha desparecido, pero es menos importante que en le instrumento simétrico
.





























Controlador asimétrico con realimentación positiva
Este tipo de controlador no se utiliza en la practica porque existe siempre la desigualdad de que el tiempo de acción derivada” ”es mucho mayor que el tiempo acción integral” ”



















Hay que señalar que un controlador neumático ideal sin interacción entre las acciones PID no existe, y solo en la Electrónica es posible construir un instrumento PID sin acción entre las bandas.