ELEMENTOS FINALES DE CONTROL En el control automático de procesos industriales el control juega un papel muy importante en bucle de regulación. 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, transmisor y el controlador. En la figura 1 puede verse una válvula de control típica. Se compone básicamente del cuerpo y del servomotor. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor [2].

Figura 1. Obturador de movimiento lineal

Válvulas de control Las válvulas de control son los elementos finales de control más usuales y se les encuentra en las plantas de proceso, donde manejan los flujos para mantener en los puntos de control las variables que se deben controlar. La válvula de control actúa como una resistencia variable en la línea de proceso; mediante el cambio de su apertura se modifica la resistencia al flujo y, en consecuencia, el flujo mismo. Las válvulas de control no son más que reguladores de flujo [3]. Funcionamiento de las válvulas de control La primera pregunta que debe contestar el ingeniero cuando elige una válvula de control es: Cómo se desea que actúe la válvula cuando falla la energía que la acciona? La pregunta se relaciona con la “posición en falla” de la válvula y el principal factor que se debe tener en cuenta para contestar esta pregunta es, o debe ser, la seguridad. Si el

ingeniero decide que por razones de seguridad que la válvula se debe cerrar, entonces debe especificar que se requiere una válvula “cerrada en falla” (CF) (FC por sus siglas en inglés); la otra posibilidad es la válvula “abierta en falla” (AF); es decir, cuando falle el suministro de energía, la válvula debe abrir paso al flujo. La mayoría de las válvulas de control se operan de manera neumática y, consecuentemente, la energía que se les aplica es aire comprimido [3]. Tipos de válvulas de control Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador [2]. Las válvulas de movimiento lineal es las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación. Válvula de globo Como se muestra en la figura 2 siendo válvulas de simple asiento figura 2a, de doble asiento figura 2b y de obturador equilibrado respectivamente figura 2c. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto se utilizan cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas de posición de cierre son mínimas [2].

Figura 2a Figura 2b Figura 2c Simple asiento Doble asiento Obturador equilibrado Válvula de ángulo Está válvula se presenta en la siguiente figura 3, permite un fluido de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos d contienen sólidos en suspensión [2].

Figura 3. Válvula de ángulo

Válvula de tres vías Éste tipo de válvulas se utiliza generalmente para mezclar fluidos, válvulas mezcladoras figura 4a o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida, válvulas diversoras figura 4b Las válvulas de tres vías se utilizan frecuentemente en control de temperatura de intercambiadores de calor [2].

Figura 4a Figura 4b Válvula mezcladora Válvula Diversora Válvula de jaula Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula figura 5. Se caracterizan por fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por le presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por tal motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con alta presión diferencial [2].

Figura 5. Válvula de Jaula

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 ON – OFF, 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 figura 6. [2].

Figura 6. Válvula de compuerta

Válvula en Y En la figura 7 puede verse su forma. Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula on – off 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 inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas [2].

Figura 7. Válvula en Y

Válvula de cuerpo partido Esta válvula figura 8. es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaría [2].

Figura 8. Válvula de cuerpo partido

Válvula Saunders En la válvula saunders figura 9. el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o de plástico para trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión [2].

Figura 9. Válvula saunders

Válvula de compresión Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, por ejemplo, un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un óptimo control n posición de cierre parcial y se aplican fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos ó conteniendo partículas sólidas en suspensión. figura 10. [2]

Figura 10. Válvula de compresión

Válvula de obturador excéntrico rotativo Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por una o dos brazos flexibles figura 11 El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un servomotor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador. La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de telón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa a las de bola y por su elevada pérdida de carga admisible [2].

Figura 11. Válvula de obturador excéntrico rotativo

Válvula de obturador cilíndrico excéntrico Esta válvula Figura 12. tiene un obturador cilíndrico excéntrico que se asienta contra el cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde se asienta el obturador. La válvula es de bajo coste y tiene una capacidad relativamente alta. Es apropiada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión [2].

Figura 12. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico

Válvula mariposa El cuerpo esta formada por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular Figura 13. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta (en control ON – OFF se consideran 90º y en control continuo 60º, a partir de la posición de cierre ya que la última parte del giro es bastante inestable), siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula de control es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de cierre, se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Las válvulas mariposas se emplean para el control de granes caudales de fluidos a baja presión [2].

Figura 13. Válvula mariposa

Válvula de bola El cuerpo de la válvula tiene cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola Figura 14. La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la curva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servo motor exterior. El cierre estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control de caudal e fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión [2].

Figura 14. Válvula de bola

Válvula de orificio ajustable El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que está perforada con dos orificios, uno de entrada y otros 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 válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo figura 15.

Figura 15. Válvula de orificio ajustable

La válvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma inherente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general [2]. Válvula de flujo axial Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado reumáticamente que mueve el pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. De este modo, el obturador se expansiona para cerrar el flujo anular el fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso. Ver figura 16. [2].

Figura 16. Válvula de flujo axial

Como se dimensiona una válvula de control Para dimensionar la válvula de control, el procedimiento que se debe seguir es calcular el coeficiente de flujo de la válvula, CV; el “método CV” tiene bastante aceptación entre los fabricantes de válvulas [3]. El coeficiente CV se define como “la cantidad de agua en galones U.S.(gpm) que fluye por minuto a través de una válvula completamente abierta, con una caída de presión de 1 psi en la sección transversal de la válvula [3].

A pesar de que todos los fabricantes utilizan el método CV para dimensionar las válvulas de control, las ecuaciones para calcular CV presentan algunas diferencias de un fabricante a otro. La mejor manera de proceder es elegir el fabricante y utilizar las ecuaciones que éste recomienda [3]. Algunos fabricantes de válvula de control son:

• Jamesbury Corporation. (www.jamesbury.com/) • Jenkins Brothers (www.rsci.com/pipe-valves-fittings-gauges) • Fisher Controls Company (www.inmagic.com/solutions/success/us-fisher.htm) • Masoneilan Internacional (www.masoneilan.com/) • Copes-Vulcan, Inc (www.masoneilan.com/)

Utilización de válvulas de control con líquidos y gases La ecuación básica para dimensionar una válvula de control que se utiliza con líquidos es la misma para todos los fabricantes:

GfPCq V

∆= Ecuación (1)

Despejando CV

PG

qC fV ∆= Ecuación (2)

Donde: q = flujo de líquido en gpm U.S. ∆P = caída de presión P1 – P2, en psi en la sección de la válvula PI = presión de entrada a la válvula (corriente arriba), en psi P2 = presión de salida de la válvula (corriente abajo), en psi Gf = gravedad específica del líquido a la temperatura en que fluye. El dimesionamiento de la válvula de control mediante el cálculo de CV se debe hacer de manera tal que, cuando la válvula se abra completamente, el flujo que pase sea más del que se requiere en condiciones normales de operación, es decir, debe haber algo de sobre diseño en la válvula de control para el caso en que se requiera más flujo. Las compañías tienen diferentes formas de proceder acerca del sobre diseño en capacidad de la válvula; en cualquier caso, si se decide sobre diseñar la válvula de control en un factor de 2 veces el flujo que se requiere, el flujo de sobre diseño se expresa mediante [3]:

requeridodiseño qq 0.2= Ecuación (3)

El ajuste de rango es un término que esta en relación con la capacidad de la válvula. El ajuste de rango, R, de una válvula se define como la relación del flujo máximo que se puede controlar contra el flujo mínimo que se puede controlar:

controlarpuedesequeimo

controlarpuedesequemáximo

q

qR

min

= Ecuación (4)

La definición de flujo máximo o mínimo que se puede controlar es muy subjetiva, algunos ingenieros prefieren definir el flujo que se puede controlar entre el 10% y 90% de abertura de la válvula; mientras que otros lo definen entre el 5% y 95%; no existe regla fija o estándar para esta definición. En la mayoría de las válvulas de control el ajuste de rango es limitado y, generalmente, varía entre 20 y 50. Es deseable tener un ajuste de rango grande (del orden de 10 o mayor), de manera que la válvula tenga un efecto significativo sobre el flujo [3]. Es importante tener en cuenta que la válvula de control únicamente puede manejar las tasas de flujo mediante la producción o absorción de una caída de presión en el sistema. Una regla práctica especifica que la caída de presión que se lee en la sección transversal de la válvula debe ser de 20 a 50% de la caída dinámica de presión total en todo el sistema de conductos. La característica de flujo de la válvula de control se define como la relación entre el flujo a través de la válvula y la posición de la misma conforme, varía la posición de 0% a 100%. Se debe distinguir entre la “característica de flujo inherente” y la “característica de flujo en instalación”. La primera se refiere a la característica que se observa cuando existe una caída de presión constante a través de la válvula. La segunda se refiere a la característica que se observa cuando la válvula esta en servicio y hay variaciones en la caída de presión, así como otros cambios en el sistema. En la figura 17 se muestran tres de las curvas más comunes de característica de flujo inherente. La forma de la curva se logra mediante el contorno de la superficie del émbolo cuando pasa cerca del asiento de la válvula.

Figura 17. Curvas características de flujo inherente en una válvula de control

En la figura 17 se muestran tres de las curvas más comunes de característica de flujo inherente. La característica de flujo lineal produce un flujo directamente proporcional al desplazamiento de la válvula, o posición de la válvula; con un 50% de desplazamiento, el flujo es el 50% del flujo máximo. La característica de flujo rápido de abertura produce un gran flujo con un pequeño desplazamiento de la válvula. La característica de flujo de porcentaje igual produce un cambio muy pequeño en el flujo al inicio del desplazamiento de la válvula, pero conforme ésta se abre hasta la posición de abertura máxima, el flujo, aumenta considerablemente. El término “porcentaje igual” proviene del hecho de que, para incrementos iguales en el desplazamiento de la válvula, el cambio de flujo respecto al desplazamiento de la válvula es un porcentaje constante de la tasa de flujo en el momento del cambio. Cuando una válvula esta instalada en un sistema de tubería, la caída de presión a través de ella se modifica conforme varía el flujo; en este caso también varían las características de la válvula, las cuales, se conocen como “características en instalación”. Para entender mejor las características en instalación considérese el sistema de tubería que se muestra en la figura 18.

Figura 18. Sistema de tubería en un sistema de control.

Ganancia de la válvula de control En la figura 17 se muestran las características de flujo inherentes de los tres tipos más comunes de válvulas. Vamos mantener constante la caída de presión en la válvula de control. Retomando la ecuación 1

GfPCq V

∆=

Si q cambia con la posición de la válvula de control manteniendo constantes GfP,∆ , debe cambiar, entonces CV también debe cambiar con la posición de la válvula de control; por lo tanto afirmamos que CV es una función de la posición de la válvula e control. La relación funcional entre CV y la posición de la válvula de control, vp, para la válvula de control lineal y la de porcentaje igual, es la siguiente: vpCC vpVV )|( 1== Válvula de control lineal

11 )|( −== vp

vpVV CC α Válvula de control de porcentaje igual

Donde: • )|( 1=vpVC : Es el coeficiente de la válvula cuando está completamente abierta. • vp: Posición de la válvula. • α : Parámetro de ajuste de la válvula de control.

A partir de estas relaciones mencionadas anteriormente se puede calcular el cambio en la tasa de flujo a través de la válvula de control, mientras se mantiene constante la caída de presión, es decir, ésta es la ganancia de la válvula de control, la cual relaciona el flujo con la posición de la válvula. Considérese la ecuación de flujo para una válvula de control lineal y de porcentaje igual que se utiliza en el proceso:

GfPvpCq vpV

∆= = )|( 1 Ecuación (5). Flujo para una válvula de control lineal.

Entonces, la ganancia para una válvula de control lineal KV se obtiene como:

GfPC

vpqK vpVPV

∆=

∂∂

= =∆ )|(| 1 Ecuación (6)

Luego, Para una válvula de control de porcentaje igual KV se obtiene como:

GfPCq vp

vpV∆

= −=

11 )|( α Ecuación (7). Flujo para una válvula de control de

porcentaje igual.

( ) 11 ln)|(| −=∆

∆=

∂∂

= vpvpVPV Gf

PCvpqK αα Ecuación (8)

Como se ve en las ecuaciones 7 y 9 la ganancia inherente en la válvula de control (con caída de presión constante) varía con la posición de la válvula, para el caso de la válvula de porcentaje igual, mientras que, para la válvula de control lineal es constante. Analogía de la válvula de control con un circuito electrónico Para realizar una analogía, simulación y análisis de la válvula de control, utilizaremos como dispositivo electrónico un transistor MOSFET canal N. Transistores MOSFET. El transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) se ha hecho muy popular en comparación con los transistores BJT. La principal diferencia entre estas dos tecnologías es que los transistores MOSFET se manejan por voltaje de compuerta mientras que los BJTs se manejan por corriente de base, además, los MOSFET tienen mejor velocidad de conmutación que los BJTs. Estructura de los transistores MOSFET En la figura 19 se muestra la estructura física del MOSFET canal N de tipo de enriquecimiento. El transistor está fabricado en un sustrato tipo P, que una oblea de un solo cristal de silicio que proporciona a poyo físico para el dispositivo (y para todo el circuito integrado). Dos regiones de tipo n fuertemente contaminas, indicadas como n+ fuente y n+ dren, se crean en el sustrato. También se hacen contactos metálicos para la región de la fuente, la región del dren y el sustrato, también conocido como cuerpo. De esta forma aparecen cuatro terminales: el terminal de la compuerta (G), el terminal de la fuente (S), el terminal del dren (D) y el terminal del cuerpo (B) [4].

Figura 19. Estructura física de un transistor MOSFET canal N

Observe que el sustrato forma uniones pn con las regiones de la fuente y el dren. En operación normal, estas uniones pn se mantienen polarizadas inversamente en todo momento. Como el dren estará a un voltaje positivo con respecto a la fuente, las dos uniones pn pueden en efecto ser cortadas con sólo conectar el terminal del sustrato al terminal de la fuente. Por esta razón, aquí, el sustrato será considerado sin efecto en la operación del dispositivo y el MOSFET se tratará como un dispositivo de tres terminales, figura 20 siendo éstos la compuerta (G), la fuente (S), y el dren (D) [4].

Figura 20. Esquema del transistor MOSFET canal N

Regiones de operación de un transistor MOSFET canal n De la figura 21, ilustra un MOSFET de canal N del tipo de enriquecimiento, con voltajes GSv y DSv aplicados e indicadas las direcciones normales de circulación de corriente.

Este circuito conceptual se puede emplear para medir las curvas características DSD vi − , que son una familia de curvas, cada una medida a un GSv constante, además, se presentan las condiciones de voltajes necesarias para que el transistor opere en una región de operación especifica.

Figura 21. Regiones de operación del transitor MOSFET canal N