Instrumentacion y Control Unidad V

INSTITUT" TECN"#$GIC" SUPERI"R DE A#%ARAD" INGENIERÍA MECANICA Semestre-Grupo: 6° UNICO

Materia: Instrumentacion y control

Unidad: V

Producto Académico: Investigación

Tema: Elementos finales de control

Presenta: Miguel Steve cena ac!eco Emmanuel "ern#nde$ %alacios &ngel 'inares Esinosa (os) Carlos Molina ro*as +afael ,ntonio +amos C!#ve$ +amón 'uis -elie Cru$ Solano

Docente: IN./ .,M,'IE' +E0ES 1EVI,

ec!a: 23 1E M,0O 1E' 245 H. Y G. ALVARADO, ALVARADO, VER. –FEBRERO- JULIO 2017 

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Contenido INTRODUCCIÓN...................................................................................................3 OBJETIVOS..................... OBJETIVOS........................................ ....................................... ........................................ ........................................ ........................... ....... 4 5.1 GENERALIDADES GENERALIDADES................... ...................................... ....................................... ..................................................... ................................. 5 5. TI!OS DE V"LVULAS............. V"LVULAS................................. ....................................... .................................................... ................................... # 5..1 VALVULAS ALVULAS LINEALES $ ROTA ROTATORIAS................................... TORIAS........................................................ ........................ ...# # 5.. V"LVULAS "LVULAS DE A!ERTUR A!ERTURA A R"!IDA.................. R"!IDA................................................... ........................................... .......... 11 5..3 VALVULAS ALVULAS ISO!ORCENTUALES..... ISO!ORCENTUALES......................... ..................................................... ........................................ ....... 11 5..4 VALVULAS ALVULAS DE CELENOIDE........................ CELENOIDE............................................ .................................... ............................ ............ 13 5.3 ACTUADORES ACTUADORES %SERVO&OTOR %SERVO&OTORES'................. ES'..................................... ...................................... ........................... ......... 1# 5.3.1 SERVO&OTOR SERVO&OTOR &EC"NICO........................................ &EC"NICO.......................................................... ................................ .............. 1# 5.3.. SERVO&OTOR SERVO&OTOR NEU&"TICO............... NEU&"TICO................................... ........................................ ...................................1( ...............1( 5.3.3 SERVO&OTOR SERVO&OTOR )IDR"ULICO............... )IDR"ULICO................................... ........................................ ................................... ............... 1( 5.3.4. SERVO&OTOR SERVO&OTOR EL*CTRICO......... EL*CTRICO............................ ....................................... ........................................... ....................... 1+ CONCLUSION........... CONCLUSION.............................. ....................................... ........................................ ........................................ ............................... ........... 1, BIBLIOGRA-IA............... BIBLIOGRA-IA................................... ....................................... ....................................... .............................................. .......................... 

INTR"DUCCI$N []

Un elemento final de control es un mecanismo 7ue altera el valor de la varia8le maniulada en resuesta a una se9al de salida desde el disositivo de control autom#tico t;icamente reci8e una se9al del controlador y maniula un flu*o de material o energ;a ara el roceso/ El elemento final de control uede ser una v#lvula de control< variadores de frecuencia y motores el)ctricos< una servov#lvula< un rel)< elementos calefactores de car#cter el)ctrico o un amortiguador/ El elemento final de control consta generalmente de dos artes: •

•

Un actuador 7ue convierte la se9al del controlador en un comando ara el disositivo maniulador/ Un mecanismo ara a*ustar la varia8le maniulada

0a 7ue industrialmente lo m#s com=n es 7ue la varia8le maniulada or estos disositivos sea un caudal< el elemento de control de m#s amlia difusión es la v#lvula

"&'ETI%"S [3]

Este tra8a*o de investigación tiene como o8*etivo dar una idea so8re el tema elementos finales de control corresondientes a la unidad n=mero > de la materia de instrumentación y control •

.eneralidades

•

 ?ios

•

 V#lvulas lineales y rotativos

•

 V#lvulas de aertura r#ida/

•

V#lvulas isoorcentuales/

()* GENERA#IDADES [4]

En los rocesos industriales la v#lvula de control *uega un ael muy imortante en el 8ucle de regulación/ +eali$a la función de variar el caudal del fluido de control 7ue modifica a su ve$ el valor de la varia8le de medida comort#ndose como un orificio de #rea continuamente varia8le/ 1entro del 8ucle de control tiene tanta imortancia como el elemento rimario< el transmisor y el controlador< en la figura @/5 uede verse una valvula de control t;ica se comone 8#sicamente del cuero y del servomotor 

El cuero de la valvula contiene en su interior el o8tulador y los asientos y est# rovisto de roscas o de 8ridas ara conectar la valvula a al tu8eria

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()+ TIP"S DE %,#%U#AS 1e8ido a las diferentes varia8les< no uede !a8er una v#lvula universal or tanto< ara satisfacer los cam8iantes re7uisitos de la industria se !an creado innumera8les dise9os y variantes con el aso de los a9os< conforme se !an desarrollado nuevos materiales/ %or la oeratividad del o8turador de la v#lvula/ 'a forma como se desla$a el o8turador define la geometr;a y modo de funcionamiento de la v#lvula 'as v#lvulas ueden ser de varios tios seg=n sea el dise9o del cuero y el movimiento del o8turador/ 'as v#lvulas de movimiento lineal< en las 7ue el o8turador se mueve en la dirección de su roio e*e se clasifican como se esecifica a continuación/ ()+)* %A#%U#AS #INEA#ES  R"TAT"RIAS %./0u/as /inea/es El v#stago de la v#lvula emu*a el o8turador mediante un movimiento lineal directo/ 'a mayor;a de estas v#lvulas est#n actuadas or un actuador lineal o multigiro Atam8i)n de movimiento linealB/ .eneralmente las v#lvulas lineales asan a ser de tio multigiro cuando en ve$ de ser oeradas or un actuador< lo son de forma manual/ %./0u/a de 1/o2o: uede verse en las figuras siendo de simle asiento< de do8le asiento y de o8turador e7uili8rado resectivamente/ 'as v#lvulas de simle asiento recisan de un actuador de mayor  tama9o ara 7ue el o8turador cierre en contra de la resión diferencial del roceso/ %or lo tanto< se emlean cuando la resión del fluido es 8a*a y se recisa 7ue las fugas en osición de cierre sean m;nimas

[#]

%./0u/a de .n1u/o:  esta v#lvula resentada en la figura< ermite o8tener un flu*o de caudal regular sin ecesivas tur8ulencias y es adecuada ara disminuir la erosión cuando )sta es considera8le or  las caracter;sticas del fluido o or la ecesiva resión diferencial/ El dise9o de la v#lvula es idóneo ara el control de fluidos 7ue vaori$an Aflashing B< ara tra8a*ar con grandes resiones diferenciales y ara los fluidos 7ue contienen sólidos en susensión/

%./0u/as de tres 03as: este tio de v#lvula se emlea generalmente ara me$clar fluidos Dv#lvulas me$cladoras o 8ien ara derivar de un flu*o de entrada de dos de salida D v#lvulas diversoras 'as v#lvulas de tres v;as intervienen t;icamente en el control de temeratura de intercam8iadores de calor/

%./0u/a en : en la fig/ %uede verse su forma/ Es adecuada como v#lvula de cierre y de control/ Como v#lvula todonada se caracteri$a or su 8a*a )rdida de carga y como v#lvula de control resenta una gran caacidad de caudal/ %osee una caracter;stica de autodrena*e cuando est# instalada con un cierto #ngulo/ Se emlea usualmente en instalaciones criog)nicas

%./0u/a de 4au/a: consiste en un o8turador cil;ndrico 7ue desli$a en una *aula con orificios adecuados en las caracter;sticas de caudal deseadas en la v#lvula/ Se caracteri$an or el f#cil desmonta*e del [(]

o8turador y or7ue )ste uede incororar orificios 7ue ermiten eliminar r#cticamente el dese7uili8rio de fuer$as roducido or la resión diferencial favoreciendo la esta8ilidad del funcionamiento/ %or  este motivo< este tio de o8turador e7uili8rado se emlea en v#lvulas de gran tama9o o 8ien cuando de8a tra8a*arse con una alta resión diferencial/

%a/0u/a de compuerta: esta v#lvula efect=a su cierre con un disco vertical lano< o de forma esecial< y 7ue se mueve verticalmente al flu*o del fluido/ %or su disosición es adecuada generalmente ara control todonada< ya 7ue en osiciones intermedias tiende a 8lo7uearse/ ?iene la venta*a de resentar muy oca resistencia al flu*o de fluido cuando est# en osición de aertura total

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%./0u/as rotati0as El o8turador y e*e tienen un giro de 4F a G4F desde la osición totalmente a8ierta a cerrada/ Son v#lvulas de r#ida a8ertura/ %ueden ser oeradas manualmente o mediante un actuador tio cuarto de giro

%./0u/a de o2turador ci/3ndrico e5céntrico: esta v#lvula tiene un o8turador cil;ndrico ec)ntrico 7ue asienta contra un cuero cil;ndrico/ El cierre !erm)tico se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuero donde asienta el o8turador/ Es adecuada ara fluidos corrosivos y l;7uidos viscosos o conteniendo sólidos en susensión/

%./0u/a de mariposa: el cuero est# formado or un anillo cil;ndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular Afig/ >/5GB/ 'a v#lvula uede cerrar !erm)ticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuero/ Un servomotor eterior acciona el e*e de giro del disco y e*erce su ar m#imo cuando la v#lvula est# totalmente a8ierta Aen control todonada se consideran G4° y en control continuo 64°< a artir de la osición de cierre ya 7ue la =ltima arte del giro es 8astante inesta8leB< siemre 7ue la resión diferencial ermane$ca constante/

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%./0u/a de 2o/a: el cuero de la v#lvula tiene una cavidad interna esf)rica 7ue al8erga un o8turador en forma de esfera o de 8ola Ade a!; su nom8reB/ 'a 8ola tiene un corte adecuado Ausualmente en VB 7ue fi*a la cueva caracter;stica de la v#lvula< y gira transversalmente accionada or un servomotor eterior/ El cierre estanco se logra con un aro de teflón incororado al cuero contra el cual asienta la 8ola cuando la v#lvula est# cerrada/ En osición de aertura total< la v#lvula e7uivale aroimadamente en tama9o a > H del tama9o de la tu8er;a/

%./0u/a de 6/u4o a5ia/:  las v#lvulas de flu*o aial consisten en un diafragma accionado neum#ticamente 7ue mueve un istón< el cual a su ve$ comrime un fluido !idr#ulico contra el o8turador formado or  un material elastómero/ 1e este modo< el o8turador se eande ara cerrar el flu*o anular del fluido/ Este tio de v#lvulas se emlea ara gases y es esecialmente silencioso/

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()+)+ %./0u/as de apertura r.pida Son a7uellas en las 7ue un solo gole roduce el cam8io total de su sentido/ .eneralmente casi todas estas v#lvulas asan de totalmente cerradas a totalmente a8iertas en  de vuelta AG4JB/ 'as v#lvulas de aertura r#ida m#s conocidas son mac!o taón lu8ricado< de mariosa< de 8ola y de retención/

()+)7 %./0u/as Isoporcentua/es El o8turador determina la caracter;stica de caudal de la v#lvula es decir< la relación 7ue eiste entre la osición del o8turador y el caudal de aso del fluido/ 'a caracter;stica de un fluido incomresi8le fluyendo en condiciones de resión diferencial constante a trav)s de la v#lvula se denomina caracter;stica de caudal in!erente y se reresenta usualmente considerando como a8scisas la carrera del o8turador de la v#lvula y como ordenadas el orcenta*e de caudal m#imo 8a*o una resión diferencial constante/ 'as curvas caracter;sticas m#s significativas son la de aertura r#ida< la lineal y la isoorcentual< siendo las m#s imortantes )stas dos =ltimas/ Otras curvas son las ara8ólicas y las corresondientes a las v#lvulas de ta*aderas< mariosa< Saunders< y con el o8turador  ec)ntrico rotativo/ 'as curvas caracter;sticas se o8tienen mecani$ando el o8turador ara 7ue al variar la carrera el orificio de aso varia8le eistente entre el contorno del o8turador y el asiento configure la caracter;stica de la v#lvula/ En la figura >/22 ueden verse varios tios de o8turadores cuya forma y mecani$ación determina esta caracter;stica/

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El o8turador con característica lineal < el caudal es directamente roorcional a la carrera seg=n la ecuación: 7KLl< en la 7ue 7 K caudal a )rdida de carga constante LK constante l K carrera de la v#lvula/ .r#ficamente se reresenta or la l;nea recta de la figura/ 'a rangeability  o camo de control de caudales 7ue la v#lvula es caa$ de regular manteniendo la curva caracter;stica in!erente es en la v#lvula lineal de 5> a 5 o de 34 a 5/ Si 8ien teóricamente odr;a ser  infinita< las dificultades de fa8ricación la limitan a este valor/ En el o8turador con característica isoporcentual cada incremento de carrera del o8turador roduce un cam8io en el caudal 7ue es roorcional al caudal 7ue flu;a antes de la variación/ 'a ecuación corresondiente es:

()+)8 %a/0u/as de ce/enoide [1]

'a v#lvula de solenoide es un disositivo oerado el)ctricamente< y es utili$ado ara controlar el flu*o de l;7uidos o gases en osición comletamente a8ierta o comletamente/ 'a v#lvula de solenoide uede usarse ara controlar el flu*o de muc!os fluidos diferentes< d#ndole la de8ida consideración a las resiones y temeraturas involucradas< la viscosidad del fluido y la adata8ilidad de los materiales usados en la construcción de la v#lvula/Una v#lvula de solenoide consiste de dos artes accionantes distintas< ero integrales: Un solenoide A8o8ina el)ctricaBEl cuero de la v#lvula/ 'a v#lvula de solenoide es una v#lvula 7ue se cierra or gravedad< or resión o or la acción de un resorte y es a8ierta or el movimiento de un )m8olo oerado or la acción magn)tica de una 8o8ina energi$ada el)ctricamente< o viceversa/ ?am8i)n %or su forma< !ay tres tios de v#lvulas solenoide de uso com=n: 5B 1e dos v;as  2B 1e tres v;as 3B 1e cuatro v;as o reversi8les/

Tipos de V!"#!$ %o!e&oides

E! so!e&oide de $''i(& di)e'*$

Se utili$a en v#lvulas con 8a*a caacidad y uertos de tama9o e7ue9o/ El )m8olo est# conectado mec#nicamente a la agu*a de la v#lvula/ ,l energi$ar la 8o8ina< el )m8olo se eleva !acia el centro de la misma< levantando la agu*a/

Utili$an una com8inación de la 8o8ina solenoide y la resión de la l;nea/ En estas v#lvulas< el )m8olo est# unido a un v#stago de agu*a 7ue cu8re un orificio 

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iloto en lugar del uerto rincial/  En algunos dise9os de v#lvulas de solenoide oeradas or iloto< se usa un diafragma en lugar de istón< ara cerrar el uerto rincial/ 

L$ "!"#!$ de

dos "+$s

Es el tio de v#lvula de solenoide m#s com=n< tiene una coneión de entrada y una de salida< y controla el flu*o del fluido en una sola l;nea/ %uede ser de acción directa u oerada or iloto< deendiendo de la caacidad del sistema/

L$s "!"#!$s de *)es "+$s.

?ienen una coneión de entrada 7ue es com=n a dos diferentes coneiones de salida/   'as v#lvulas de tres v;as son< 8#sicamente< una com8inación de la v#lvula de dos v;as< en un solo cuero y con una sola 8o8ina/ 'a mayor;a son del tio oeradas or iloto/Estas v#lvulas controlan el flu*o de refrigerante en dos l;neas diferentes/ Se usan rincialmente en unidades de refrigeración 



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comercial y en aire acondicionado< ara recueración de calor< ara reducción de caacidad en los comresores y ara des!ielo con gas caliente/

Las válvulas de cuatro vías

Se conocen com=nmente como v#lvulas reversi8les/ Su uso es casi eclusivamente en 8om8as de calor< ara seleccionar ya sea el ciclo de enfriamiento o el de calefacción< deendiendo del re7uerimiento/ Estas v#lvulas tienen tres salidas y una entrada com=n/

()7 Actuadores 9Ser0omotores Un servomotor Atam8i)n llamado servoB es un disositivo similar a un motor de corriente continua 7ue tiene la caacidad de u8icarse en cual7uier osición dentro de su rango de oeración< y mantenerse esta8le en dic!a osición/5 Un servomotor es un motor el)ctrico 7ue uede ser controlado tanto en velocidad como en osición/ [15]

Es osi8le modificar un servomotor ara o8tener un motor de corriente continua 7ue< si 8ien ya no tiene la caacidad de control del servo< conserva la fuer$a< velocidad y 8a*a inercia 7ue caracteri$a a estos disositivos/  ,cciona el movimiento del v#stago y con ello del o8turador/ %uede ser neum#tico< el)ctrico< !idr#ulico o digital Asiendo los dos rimeros los m#s utili$adosB/

()7)* Ser0omotor Mec.nico Un Servo es un disositivo e7ue9o 7ue tiene un e*e de rendimiento controlado/ Este uede ser llevado a osiciones angulares esec;ficas al enviar una se9al codificada/ Con tal de 7ue una se9al codificada eista en la l;nea de entrada< el servo mantendr# la osición angular del engrana*e/ Cuando la se9ala codificada cam8ia< la osición angular de los i9ones cam8ia/ En la r#ctica< se usan servos ara osicionar suerficies de control como el movimiento de alancas< e7ue9os ascensores y timones/ Ellos tam8i)n se usan en radio control< t;teres< y or  suuesto< en ro8ots/

()7)+) Ser0omotor neum.tico Consiste en un diafragma o istón con resorte 7ue tra8a*a Acon algunas ececionesB entre 3 y 5> si< es decir< 7ue las osiciones etremas de la v#lvula ocurren a 3 y 5> si/  ,l alicar una cierta resión so8re el diafragma< el resorte se comrime de tal modo 7ue el mecanismo emie$a a moverse y sigue movi)ndose !asta 7ue llega [1#]

a un e7uili8rio entre la fuer$a e*ercida or la resión del aire so8re el diafragma y a la fuer$a e*ercida or el resorte/

-i/02 5.. Seooto ne0ti6o.

()7)7 Ser0omotor !idr.u/ico El fluido se alimenta or % mediante manguera de alta resión flei8le< si el distri8uidor de la v#lvula iloto est# centrado en las lum8reras colectoras de fluido de la ca*a 7ue tienen solaamiento negativo no !ay dirección referencial de fluido a la salida !acia el cilindro actuador y or ende las )rdidas de )ste escaan a tan7ue a trav)s de mangueras el#sticas conectadas a los retornos/Si damos un desla$amiento ositivo A  B al distri8uidor de la v#lvula iloto se a8rir# una suerficie mayor en la lum8rera derec!a y se disminuir# la suerficie de entrada de fluido a resión en la lum8rera i$7uierda/

-i/02 5.3 Seooto 7id08i6o

()7)8) Ser0omotor e/éctrico) Se trata de un motor el)ctrico acolado al v#stago de la v#lvula a trav)s de un tren de engrana*es/ El motor se caracteri$a fundamentalmente or su ar y or el tiemo re7uerido Ausualmente 5 minutoB ara !acer asar la v#lvula de la osición a8ierta a la cerrada o viceversa/

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-igura >/3/ Servomotor el)ctrico/

Un servomotor es un motor el)ctrico al 7ue odemos controlar tanto la velocidad< como la osición del e*e 7ue gira Atam8i)n llamada dirección del e*e o giro del rotorB/ 'os servomotores no gira su e*e 364F Aaun7ue a!ora !ay algunos 7ue si lo ermitenB< como los motores normales< solo giran 5@4F !acia la i$7uierda o !acia la derec!a Aida y retornoB/

C"NC#USI$N En conclusión los elementos finales de control son de gran imortancia ya 7ue en la actualidad eisten una cantidad inmensa de rocesos y roductos 7ue necesitas de llevar un control en su roducción y desarrollo< ara ello eisten muc!os tios [1+]

de elementos de control en los 7ue destacan los elementos finales de control 7ue son de los m#s imortantes a la !ora de controlar ciertas varia8les en los rocesos/ 'a medición y el control de rocesos son fundamentales ara generar< en definitiva< los me*ores resultados osi8les en lo 7ue toca a la utili$ación de recursos< m#7uinas< erformance< renta8ilidad< rotección medioam8iental y seguridad< entre otros< en una unidad roductiva/ 'a instrumentación industrial es el gruo de e7uiamientos y disositivos 7ue sirven a los ingenieros o t)cnicos< *ustamente< ara medir< convertir y registrar  varia8les de un roceso Ao cuero industrialB y< luego< trasmitirlas< evaluarlas y controlarlas con tales fines/  ,dem#s< !ay roductos comlementares dedicados a la ad7uisición de datos y automati$ación ara de*ar los rocesos de medición y control cada ve$ m#s r#idos y eficientes< a costes reducidos/ 'a instrumentación uede formar estructuras comle*as ara medir< controlar y monitorear todos los elementos de un sistema industrial con rofundidad y gran eactitud< adem#s de automati$ar tales rocesos y< a la ve$< garanti$ar la reeti8ilidad de las medidas y resultados/

&I&#I"GRAIA )ennde9 J. %15'. E8eento: ;n28e: de 6onto8. 3