CAPITULO 4 Elementos Finales de Control Este Capitulo 4.1 Caracterı́sticas El ECF (Elemento de Control Final) es un dispositivo que posee la potencia necesaria para ejercer cambios en el proceso, cada vez que recibe la señal del controlador. Por lo general, el EFC consta de dos partes: el actuador, que transforma la señal del controlador en un comando para el dispositivo manipulador, y, el mecanismo de ajuste, el cual dosifica el flujo de masa o de energı́a que está siendo manipulado. Uno de los EFC más empleados en la indutria es la VCA (Válvula de Control Automático). En una VCA neumática, su actuador (el cabezal de la VCA con su membrana) recibe la señal estandarizada de 3 a 15 psig (o 0.2 a 1 bar) para desplazar el eje o vástago que está unido a la membrana. En el extremo libre de este eje se encuentra el cono u obturador, y a continuación, el asiento de la VCA. Si esta válvula está siendo usada para controlar el paso de un fluido a través de una tuberı́a, entonces el mecanismo de ajuste dosifica el caudal que pasa por la VCA aumentando o disminuyendo la abertura entre el cono y su asiento, en concordancia con la señal estandarizada que recibe de su actuador. Dependiendo de la energı́a auxiliar con la que están alimentadas, los actuadores se pueden clasificar en eléctricos, neumáticos e hidráulicos. Los actuadores eléctricos más empleados son el motor DC, el motor AC, la bobina con núcleo de hierro móvil, y el inversor de potencia. Entre los actuadores neumáticos tenemos los de membrana de simple y doble efecto, el cilindro de membrana, el cilindro (o pistón) de doble y simple efecto. El cilindro hidráulico y el cilindro hidráulico rotatorio son dos actuadores hidráulicos representativos. La Fig. 4.1 muestra el esquema de los actuadores antes mencionados. Los dispositivos de ajuste también se clasifican de acuerdo a la energı́a auxiliar que los alimenta. A su vez, los dispositivos de ajuste eléctricos pueden ser continuos y discontinuos. La resistencia eléctrica, el transformador y el transistor de potencia son dispositivos continuos, mientras que el contacto, el micro interruptor, el relé, un tiristor o un triac son discontinuos. En las válvulas para gas, vapor, lı́quidos o granos, el conjunto obturador–asiento constituye el dispositivo de ajuste. 4.2 La Válvula de Control Automática (VCA) Dimensionamiento de una VCA La VCA es uno de los EFC más empleados en el control de procesos tales como presión, nivel, temperatura, fluidos ( liquidos , gases, vapor), PH, redox, etc. Existen tres tipos principales de valvula de aperura y cierre rapido (válvulas ON–OFF), de característica lineal y de característica isoporcentual. La abertura o posición del vástago en una válvula ON–OFF está restringida a dos posiciones: apertura y cierre, mientras que en las válvulas de caracterı́stica lineal e isoporcentual, las posición m del vástago responde a una ecuación que es función de la constante Cv o tamaño de la válvula . Para un mejor entendimiento del tema, a continuación se deduce la expresión de CV para un fluido que fluye en una VCA. La porción de la valvula que muestra la Fig. 4.3 corresponde al cono y al asiento de la misma, por donde fluye un producto de caudal Q, que posee un peso especı́fico γ y una densidad ρ. El fluido ingresa a válvula con una velocidad V1 , cruzando una una sección A1 y produciendo una presion P1 . El flujo sale por la abertura vástago– cono de sección A2 , a una velocidad V2 y generando una presión P2 . El principio de Bernoulli nos permite formular: Notar en la Fig. 4.3 que la altura h1 es cero porque coincide con el eje horizontal de referencia a trazos, mientras que la altura h2 se puede despreciar por ser pequeña. Reemplazando V1 de (4.2) en (4.1) produce: donde la constante Cv , conocida tambien como tamaño o dimensionamiento de la válvula, posee la expresion : Esta ultima expresion se corrige multiplicandola por factores que toman en cuenta perdidas, ruido, característica del fluido, etc. Notar que cuando P 2 P1 = ttF = 1, entonces: Q = Cv ; es decir, el caudal iguala al tamaño de la válvula. Bajo ciertas consideraciones, la constante Cv de la válvula ha sido adoptado por los fabricantes y usuarios como un coeficiente de dimensionamiento. En este sentido, esta constante se define como el caudal en galones USA por minuto (gpm) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga (caı́da de presión) de una libra por pulgada cuadrada (psi). En aquellos paı́ses donde se emplean el sistema métrico, la constante de la válvula se denomina Kv y se define como el caudal de agua (de 5 a 40 ◦C) en m3/h que pasa a través de una válvula a una determinada apertura y con una pérdida de carga.
