ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

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 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.

El elemento final de control puede ser una válvula de control, variadores de

frecuencia y motores eléctricos, etc.

1. VALVULAS DE CONTROL:

En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega

un papel muy importante en el bucle de la regulación. Realiza la función de

variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el caudal de la

variable medida comportándose como un orificio de área continuamente

variable. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los

asientos y está provisto de bridas para conectar la válvula a la tubería. El

obturador es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en la

dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un

vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el

servomotor.

La válvula de control se compone básicamente de los siguientes elementos:

SERVOMOTOR:

Acciona el movimiento del vástago y con ello del obturador. Puede ser

neumático, eléctrico, hidráulico o digital (siendo los dos primeros los más

utilizados).

a) SERVOMOTOR NEUMÁTICO:

Consiste en un diafragma o pistón con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi, es

decir, que las posiciones extremas de la válvula ocurren a 3 y 15 psi.

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

llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el

diafragma y a la fuerza ejercida por el resorte.

b) SERVOMOTOR ELÉCTRICO.

Se trata de un motor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un

tren de engranajes. El motor se caracteriza fundamentalmente por su par y por

el tiempo requerido (usualmente 1 minuto) para hacer pasar la válvula de la

posición abierta a la cerrada o viceversa.

VÁSTAGO:

Su función es unir al obturador con el servomotor. Dispone generalmente de un

índice que señala en una escala la posición de apertura o cierre de la válvula.

TAPA:

La tapa de la válvula de control tiene por objeto unir el cuerpo al servomotor. A

su vez desliza el vástago del obturador accionado por el motor. Según las

temperaturas de trabajo de los fluidos y el grado de estanquidad deseada

existen los siguientes tipos de tapas:

TAPA NORMAL: Adecuada para trabajar a temperaturas del fluido

variables entre 0° y 220° C.

TAPA CON COLUMNAS DE EXTENSIÓN: Las columnas son adecuadas

cuando el flujo está a temperaturas muy bajas.

TAPA CON FUELLE DE ESTANQUEIDAD: para temperaturas de servicio

entre 20 y 450°C.

TAPA CON ALETAS DE RADIACIÓN: circular o vertical que pueden

trabajar entre 20°C a 450°C, recomendándose por encima de los 350 ° C, la

válvula se monte invertida para facilitar el enfriamiento de la

empaquetadura.

EMPAQUETADURA.

Caja de protección entre la tapa y el vástago que tiene por función impedir que

el fluido se escape a través de la tapa. La caja de empaquetadura de la válvula

consiste en unos anillos de estopada comprimidos por medio de una tuerca o

bien mediante una brida de presión regulable con dos tuercas. La

empaquetadura puede ser apretada manualmente de modo periódico o bien

puede ser presionada elásticamente por un muelle apoyado interiormente en la

tapa.

Existen diversos tipos de empaquetaduras según sean las presiones y

temperaturas de trabajo y el tipo de fluido.

CUERPO.

El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin

pérdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser

resistente a la erosión o corrosión producidas por el fluido.

BRIDAS.

Aquí se realiza la conexión del cuerpo de la válvula con la tubería. Las bridas

están normalizadas de acuerdo con las presiones y temperaturas de trabajo en

las normas DIN y ANSI.

OBTURADOR:

Es quien realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en su

propio eje o bien tener un movimiento rotativo.

ASIENTO:

Junto con el obturador forman 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.

1.1. TIPOS DE VALVULA DE CONTROL:

a) VALVULA DE GLOBO:

Puede ser de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado

respectivamente. 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 emplean cuando la presión del fluido es baja y se

precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. En la válvula de

doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada

por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de

simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien

cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre

las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

b) VALVULA EN ANGULO

Esta válvula permite tener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias

y es adecuada para disminuir la erosión cuando esta es considerable por las

características del fluido o bien por la excesiva presión diferencial. El diseño de

la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con

grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en

suspensión. Este tipo de válvulas se emplea generalmente para mezclar fluidos

o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida, las válvulas de tres

vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores

de calor.

c) VALVULA DE TRES VIAS:

Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos – válvulas

mezcladoras o bien para derivar de un flujo de entrada de dos de salida –

válvulas diversoras. Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el

control de temperatura de intercambiadores de calor.

d) VALVULA DE JAULA:

Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios

adecuados en las características de caudal deseadas en la válvula. Se

caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque éste puede

incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de

fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del

funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea

en válvulas de gran tamaño o bien 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.

e) VALVULA 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 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

f) VALVULA 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 auto drenaje

cuando está instalada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en

instalaciones criogénicas.

g) VALUVLA DE CUERPO PARTIDO

Esta válvula 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 alimentaria.

h) VALVULA SAUNDERS

En la válvula Saunders, 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 la 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 bien en el control de fluidos conteniendo

sólidos en suspensión.

i) VALVULA DE MARIPOSA:

El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira

transversalmente un disco circular La válvula puede cerrar herméticamente

mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. En la selección de la

válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a

las posiciones de completa apertura y cierre; se necesita una fuerza grande del

actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Las

válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de

fluidos a baja presión.

j) VALVULA DE BOLA:

El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un

obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un

corte adecuado (usualmente en V) que fija la cueva característica de la válvula,

y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. En posición de

apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del

tamaño de la tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control

de caudal de fluidos negro, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en

suspención.

k) VALVULA DE FLUJO AXIAL:

Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado

neumáticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido

hidráulico contra el obturador formado por un material elastómero. De este

modo, el obturador se expande para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de

válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso.

2. ELECTRONICOS:

AMPLIFICADOR MAGNETICO:

El amplificador magnético es un dispositivo electromagnético diseñado para

amplificar señales eléctricas. La capacidad de controlar grandes corrientes con

pequeña potencia de control hizo que los amplificadores magnéticos fueran

útiles para el control de circuitos de iluminación, para la iluminación de la etapa

y para carteles publicitarios. Además, se utilizan todavía en algunos soldadores

de arco.

También se utilizan en instrumentación para medir la corriente. La corriente a

medir se hace pasar a través de los dos núcleos, posiblemente por una barra

de bus sólido. Casi no hay caída de tensión en esta barra de bus, la señal de

salida, proporcional a la Amperios giros en la barra colectora de corriente de

control, se deriva de la tensión de excitación alterna de la revista, no hay

tensión creada o inducida en la barra de bus. La señal de salida tiene

solamente una conexión magnética con la barra de bus.

SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO):

Es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres terminales,

llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es

controlada por el terminal de puerta. Además, se emplea como dispositivo de

control y presenta dos estados estables: en uno conduce, y en otro está en

corte.

El objetivo del rectificador controlado de silicio SCR es retardar la entrada en

conducción del mismo, ya que como se sabe, un rectificador controlado de

silicio SCR se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus bornes se hace

positiva (tensión de ánodo mayor que tensión de cátodo), sino cuando siendo

esta tensión positiva, se envía un impulso de cebado a puerta.

APLICACIONES:

Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de

corrientes alternas, hasta la realización de determinadas conmutaciones de

baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o

inversores que transforman la corriente continua en alterna. La principal ventaja

que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es

que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta

forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el

momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción

del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se

bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya

que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente

señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las

siguientes:

Controles de relevador.

Circuitos de retardo de tiempo.

Fuentes de alimentación reguladas.

Interruptores estáticos.

Controles de motores.

Recortadores.

Inversores.

Ciclo conversores.

Cargadores de baterías.

Circuitos de protección.

Controles de calefacción.

Controles de fase.

3. OTROS ELEMENTOS DE CONTROL:

VARIADOR DE VELOCIDAD:

El Variador de Velocidad es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de

dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para

controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. La

maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores

eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos.

Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador

especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de

velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como

en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y

transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

CONTACTOR:

Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo

establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o

en el circuito de mando, tan pronto se dé tensión a la bobina. Un contactor es

un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o

instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos

posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe

acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa

dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada".

Los contactores presentan ciertas ventajas por los que se recomienda su

utilización. Algunas de ellas son: automatización en el arranque y paro de

motores, posibilidad de controlar completamente una máquina, desde varios

puntos de maniobra o estaciones, se pueden maniobrar circuitos sometidos a

corrientes muy altas, mediante corrientes muy pequeñas, seguridad para

personal técnico, dado que las maniobras se realizan desde lugares alejados

del motor u otro tipo de carga, y las corrientes y tensiones que se manipulan

con los aparatos de mando son o pueden ser pequeños, control y

automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, mediante la

ayuda de aparatos auxiliares(como interruptores de posición, detectores

inductivos, presostatos, temporizadores, etc.), y un ahorro de tiempo a la hora

de realizar algunas maniobras.

RELE:

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un

interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una

bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que

permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia

que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un

amplificador eléctrico.

La gran ventaja de los relés electromagnéticos es la completa separación

eléctrica entre la corriente de accionamiento, la que circula por la bobina del

electroimán, y los circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se

puedan manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones

de control. También ofrecen la posibilidad de control de un dispositivo a

distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.