1.3 Elementos

1.3.1 ELEMENTOS PRIMARIOS

Los elementos de medición de acuerdo con su posición en el diagrama de bloques son los primeros en detectar o modificar a la variable de proceso y por eso son conocidos también como "elementos primarios de medición. Al decir que detectan o modifican a la variable de proceso, nos referimos a que son los primeros que utilizan o transforman la energía del medio que se está controlando, para producir un efecto que depende (es función) de la variable controlada.

Los elementos primarios de medición más comunes son:

1.3.2 ELEMENTOS SECUNDARIOS

Los elementos secundarios de medición se encargan de recibir la señal proveniente de los elementos primarios y en muchos casos las transforman para transmitirla como una señal eléctrica, neumática, hidráulica etc., dependiendo del tipo de instrumento que se esté usando, por lo tanto a estos elementos se les conoce como "elementos secundarios de medición y transmisión o transmisores". La señal transmitida por estos elementos es enviada en forma tal que pueda ser perfectamente interpretada por el instrumento receptor el cual puede ser, un indicador, registrador o un controlador. Esta señal puede ser transmitida en forma simultánea a varios receptores.

Punto de ajuste: es el valor alrededor del cual se desea mantener la variable controlada.
Error: desviación del valor de la variable controlada con respecto al punto de ajuste.
Acción de control: sentido en el cual se moverá la variable manipulada a fin de corregir cualquier error en la variable controlada.

Por ejemplo:

Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller) o por autómata programable.

Los PLC son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas.

1.3.3. ELEMENTOS TERCIARIOS O DE CONTROL FINAL

Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable manipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control automático; típicamente recibe una señal del controlador y manipula un flujo de material o energía para el proceso. El elemento final de control puede ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servo válvula, un relé, elementos calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador.

El elemento final de control consta generalmente de dos partes:

Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para el dispositivo manipulador.
Un mecanismo para ajustar la variable manipulada.

- Válvulas

Las válvulas de control son las más utilizadas en el bucle de regularización. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica, a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.

Tipos de válvulas: las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Se clasifican en dos grupos: válvulas con obturador de movimiento lineal y válvulas con obturador de movimiento rotativo.

Válvulas con obturador de movimiento lineal

En las que el obturador se mueve en la dirección en la dirección de su propio eje, se clasifican en:

válvula de globo.
válvula de ángulo.
válvula de tres vías mescladora.
válvula de jaula.
válvula de compuerta.
válvula en Y.
válvula de cuerpo partido.
válvula Saunders.
válvula de compresión.

Válvulas con obturador de movimiento rotativo

En las que obturador tiene movimiento rotativo se clasifican en:

válvula de disco excéntrico rotativo (Camflex).
válvula de obturador cilíndrico excéntrico.
válvula de mariposa.
válvula de bola.
válvula de macho.
válvula de orificio ajustable.
válvula de flujo axial.

Se comparan las válvulas con obturador de movimiento lineal y rotativo más importantes

- Servomotores

Los servomotores pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos, digitales y manuales, si bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de actuación rápida y tener una gran capacidad de esfuerzo. Puede afirmarse que el 90% de las válvulas de control utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente.

Servomotor neumático: el servomotor neumático consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi (0,2-1 bar), es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 3 y 15 psi (0,2 y 1 bar). Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte. El servomotor puede ser de acción directa o inversa.

Servomotor eléctrico: existen dos tipos diferentes de servomotores eléctricos, los dedicados al control de clima (calefacción, ventilación y aire acondicionado) (HVAC = Heating, Ventilating, Air Conditioning) y los proyectados para el control industrial. Los primeros se caracterizan por su poco par y por el tiempo largo de accionamiento (1 minuto), mientras que los segundos disponen de un par elevado y un tiempo de accionamiento rápido (de 10 a 60 segundos).

La válvula motorizada eléctrica no necesita aire para su accionamiento. Ante las presiones diferenciales elevadas del fluido y la velocidad de actuación que se exige en la industria, el servomotor eléctrico debe disponer de un par elevado y, por lo tanto, tiene un tamaño considerable. De aquí, que las válvulas motorizadas para aire acondicionado donde no se precisa de un actuación rápida, sólo se empleen en equipos autónomos que carezcan de compresor de aire, o en instalaciones que dispongan de poco par. Normalmente no se utilizan en procesos industriales, donde la rapidez y exactitud de actuación es importante.

Válvula de solenoide: la válvula de solenoide o electroválvula es un dispositivo para controlar el flujo de un fluido a su paso por una tubería. Consiste en dos partes básicas, el solenoide y la válvula. El solenoide es una bobina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica para accionar, normalmente, la válvula desde la posición cerrada a la abierta, es decir, en ausencia de alimentación eléctrica la válvula está cerrada mediante un muelle y, al excitar el solenoide, se abre (acción directa) por atracción del émbolo unido al obturador. La válvula también puede ser normalmente abierta (acción inversa), es decir que pasa a la posición de abierta, mediante un muelle, ante el fallo de la alimentación eléctrica. Para una máxima seguridad, la válvula de solenoide está continuamente excitada; de este modo, si falla la corriente, la válvula de control pasa a la posición de seguridad.

La válvula puede ser de dos o tres vías. Una aplicación de la válvula de solenoide de tres vías es el enclavamiento de la válvula de control en una posición que suele ser la correspondiente a fallo de aire. La válvula de solenoide puede estar conectada a un manorreductor y, de este modo, la válvula de control puede accionarse manualmente independientemente del controlador. La válvula de solenoide puede realizar un control proporcional de tiempo variable mediante una unidad de control electrónico que envía a la bobina impulsos de anchura modulada. La conexión/ desconexión (On-off) rápida de la tensión de alimentación a la bobina forma una onda cuadrada y se varían los tiempos de conexión para compensar las variaciones de temperatura.

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 de un pistón actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta de la válvula.

Servomotor digital: los servomotores de válvulas digitales son controladores digitales que 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 compuerta 500 ms) y el grado de abertura depende de la combinación de las compuertas (8 compuertas darán 1, 2, 4,..., 128 relaciones de capacidad).

Los servomotores de válvulas digitales presentan varios aspectos de interés:

Configuración y calibración automática que ahorra mucho tiempo frente a la calibración clásica de cero y multiplicación (span).
Diagnóstico de la válvula mientras está en funcionamiento en el proceso.
Señal de salida 4-20 mA c.c. sobre dos hilos combinada con el protocolo digital HART.
Comunicaciones Fieldbus.

Estas válvulas tienen una constante de tiempo de unos 0,3 segundos, si bien su velocidad de apertura tan rápida no representa una ventaja esencial frente a las válvulas neumáticas industriales (5 a 20 segundos según el tamaño), y su coste es elevado.

Los cuerpos de las válvulas de control pueden tener dos tipos de acciones. Se dividen en válvulas de acción directa, cuando tienen que bajar para cerrar, e, inversa, cuando tienen que bajar para abrir (derivado de los grifos domésticos donde al girar el volante a derechas, el vástago baja y la válvula cierra) Esta misma división se aplica a los servomotores, que son de acción directa cuando aplicando aire, el vástago se mueve hacia abajo, e inversa cuando al aplicar aire el vástago se mueve hacia arriba.

Al combinar estas acciones se considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diafragma, con el resorte manteniendo el diafragma y, por tanto, la válvula en una de sus posiciones extremas. Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa). Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula sin aire cierra o aire para abrir (acción inversa). Consideraciones análogas se aplican a las válvulas con servomotor eléctrico:

Acción directa: con el servomotor desexcitado la válvula está abierta.
Acción inversa: con el servomotor desexcitado la válvula está cerrada

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL