TEMA III - INSTRUMENTACIÓN (1).pdf

INGRÍA. PETROLERA - INSTRUMENTACIÓN
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CERRO AZUL
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ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
En la mayor parte de los procesos industriales aparecen lazos de control formados por
tres elementos típicos: Transmisor, Regulador y Elementos Finales de Control;
actuando conjuntamente para garantizar una operación controlada y eficiente de la
planta junto con otros equipos de accionamiento automático.
La presente unidad hace referencia a los elementos y mecanismos de control final de
los procesos industriales, que son de vital importancia para el buen funcionamiento del
lazo de control y la calidad del producto final.
ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
SABER INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

ACTUADORES
Un “Actuador” es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática ó
eléctrica; en la activación de un proceso con la única finalidad de poder generar un
efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador ó
controlador de proceso y en función a ella genera la orden para activar un elemento final
de control como por ejemplo, la posición de una válvula.
Existen varios tipos de actuadores como son:
 Manual
 Eléctricos.
 Neumáticos.
 Hidráulicos.
 Electrónicos.

ACTUADORES
La variable básica a tomar en cuenta en un actuador rotatorio es el torque o par; también
llamado momento. Y es expresado en lb-in, lb-pie, N-m, etc.
El actuador de tipo rotatorio dependiendo de su diseño y fuerza motriz; consta de las
siguientes partes móviles básicas:

3.1.- ACTUADORES ELÉCTRICOS
La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores
hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de
poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es
altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la
fuente de poder y el actuador.
Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos
estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar
reductores, debido a que los motores son de operación continua

PRE - ACTUADOR
Un sistema de control obtiene como salida una señal eléctrica, la cual ha de activar
un actuador. El pre-actuador es el elemento que hace de interfaz, tomando como entrada
la señal eléctrica y procediendo en el actuador. Los más usuales son:
ELECTROVÁLVULAS. Son los pre-actuadores de los cilindros y actuadores de giro
neumáticos e hidráulicos.
 RELÉS Y CONTACTORES. Se emplean para conectar y desconectar actuadores
eléctricos como resistencias calefactoras ó motores.
ARRANCADORES ESTÁTICOS. Se emplean para conectar o desconectar motores
eléctricos restringiendo las corrientes de arranque.
 EQUIPOS DE CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS.
Se emplean para controlar los diferentes tipos de motores, permitiendo conectarlos ó
desconectarlos y regular su velocidad y su sentido de giro. El más habitual es el
variador de frecuencia con tiristores.

ELECTRO-VALVULAS
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el paso de
un fluido por un conducto ó tubería; también son llamadas “válvulas solenoides” y de forma
general, son dispositivos diseñados para controlar el flujo (ON-OFF) de un fluido.
Están diseñadas para poder utilizarse con agua, gas, aire, gas combustible, vapor entre otros.
Estas válvulas pueden ser de dos hasta cinco vías. Pueden estar fabricadas en latón, acero
inoxidable ó PVC. Dependiendo del fluido en el que se vayan a utilizar es el material de la
válvula.
En las válvulas de 2 vías, normalmente se utilizan las que funcionan con tres modalidades
diferentes, dependiendo del uso que están destinadas a operar; pueden ser de acción directa,
acción indirecta y acción mixta o combinada, además cada una de estas categorías puede ser
(N.C.) ó (N.A.).

ELECTRO-VALVULAS
ELECTROVÁLVULA DE ACCIÓN DIRECTA:
El comando eléctrico acciona directamente la bobina solenoide y se realiza la apertura o
cierre de la válvula, por medio de un embolo.
ELECTROVÁLVULA DE ACCIÓN INDIRECTA:
La característica principal de la válvula del tipo acción
indirecta es que cuando recibe el comando eléctrico se
acciona el embolo el cual permite a su vez como
segunda acción, o acción indirecta, que el diafragma
principal se abra o se cierre, en una acción indirecta.

RELEVADORES Y CONTACTORES
Son dispositivos electromagnéticos que conectan ó desconectan a un circuito eléctrico al
excitar un electroimán ó un elemento de electrónica (Relevador de estado sólido).
Los Relés accionan pequeñas potencias, mientras que los contactores lo hacen para las
medianas a grandes potencias; en un sistema industrial los relés pueden accionar
electroválvulas y a los mismos contactores para separar las partes de mando de potencias
medianas a los de potencias eléctricas superiores.
En la actualidad, común encontrar esos sistemas de forma integrada en un solo banco
que incluye protecciones mayores gracias al uso de componentes termoeléctricos y
regulación de corriente.

ACTUADORES ELÉCTRICOS
ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS POR MOTOR
Dado que el accionamiento de un dispositivo industrial (Bomba, Compresor ó Válvulas
de Control) puede realizarse por medio de un motor eléctrico; las amplias variedades con
las que se cuentan en el mercado; hace que sean numerosas las opciones y ventajas de
cada dispositivo; a continuación se mencionan las opciones más prácticas su estructura y
principio de funcionamiento fueron descritas con anterioridad en materias anteriores.
 MOTOR ELÉCTRICO DE CORRIENTE CONTÍNUA.
 MOTOR ELÉCTRICO DE CORRIENTE ALTERNA.
 MOTOR ELÉCTRICO UNIVERSAL.
 MOTOR PASO A PASO.
 SERVOMOTORES.
Servomotor Brushless DC.
Servomotor Brushless AC

El motor eléctrico es aquel motor que transforma la energía eléctrica en energía
mecánica, por medio de la repulsión que presenta un objeto metálico cargado
eléctricamente ante un imán permanente; son máquinas eléctricas dinámicas.
Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía
mecánica en energía eléctrica funcionando como GENERADORES ELÉCTRICOS ó
dinamo; donde sus componentes principales son es ESTATOR y el ROTOR.
Y dependiendo de su construcción entre las partes anteriormente mencionadas; pueden
trabajar para corriente directa (DC) ó para corriente alterna (AC).
MOTORES ELÉCTRICOS

Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares como
ventiladores, y “BOMBAS”, “COMPRESORES” y máquinas-herramientas, aparatos de tipo
electrodomésticos, herramientas eléctricas y unidades de disco.
Los motores de uso general con dimensiones muy estandarizadas y
características proporcionan el poder mecánico conveniente al uso industrial al
que sea destinado; principalmente utilizados en la industria petrolera como el
sistema motriz tanto de bombas como de compresores principalmente de tipo
centrífugos ó axiales

PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR
ELÉCTRICO CONVENCIONAL
Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan
formados por varios elementos; sin embargo, las partes principales y más notorias son:
el rotor, el estator, la carcasa, la base, la caja de conexiones, las tapas, rodamientos,
bobinados y los cojinetes.
No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA
UTILIZACIÓN DE UN MOTOR ELÉCTRICO
VENTAJAS
 Presentan una alta eficiencia, su tamaño y peso son más reducidos.
 Se pueden construir de cualquier tamaño y potencia requerida.
 Tiene un par de giro elevado y según el tipo de motor, es prácticamente constante.
 Su rendimiento es muy elevado (típicamente mínimo de 50%, aumentando a medida
que se incrementa la potencia eléctrica suministrada a la máquina).
 Este tipo de motores no emite contaminantes directos a la atmósfera.
 Se requiere muy poco mantenimiento, casi nulo solo revisar conexiones y sistema de
lubricación y enfriamiento.
Pueden utilizarse en aplicaciones de tipo electro-sumergibles.
Debido a su construcción el eje (flecha) del motor puede acoplarse a la mayoría de
las bombas conocidas sin importar su principio de funcionamiento.

DESVENTAJAS:
 Su principal desventaja es que no pueden ser utilizadas en lugares donde se carece
de energía eléctrica.
 Se debe especificar las condiciones ambientales donde trabajará el motor, como:
(Si el motor trabajara protegido de la intemperie por una edificación.
Si funcionará a una temperatura mayor a 40ºC ó a una elevación mayor de 1000
m.s.n.m.; etc.)
 Si trabajará en un ambiente abundante en polvo, humedad, residuos y gases corrosivos.
 Se deberá establecer un aislamiento para el motor compatible con las condiciones
ambientales y de funcionamiento.
 Se requieren mayores pruebas de rendimiento (análisis termográficos y de vibraciones).
 La instalación eléctrica deberá de ser la correctamente acondicionada y su puesta en
marcha y mantenimiento debe de ser hecha solo por personal capacitado.
 Se corre el riesgo de que se produzca un accidente por choque eléctrico ó incendio.

CLASIFICACIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO SEGÚN
EL TIPO DE CORRIENTE UTILIZADA
MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA:
Un motor de corriente contínua; utiliza energía eléctrica de tipo constante; es decir
que se necesita ser tratada (rectificada y filtrada) para poder operar y se compone
principalmente de dos partes.
El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de
la máquina, conocidos también con el nombre de polos.
El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo,
alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también
como carbones).

CLASIFICACIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO SEGÚN
EL TIPO DE CORRIENTE UTILIZADA
Entre sus ventajas destaca que solo se requieren dos terminales para su utilización;
de tal forma que se puede controlar su velocidad con la cantidad de voltaje que se
suministre a través de un dispositivo electrónico llamado Variador de Velocidad y
al cambiar la polarización invierte su sentido de giro de forma fácil.
El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y
laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en
contacto con las delgas; a continuación se mencionan las conexiones más típicas
para utilizar un motor de corriente contínua:

MOTOR ELÉCTRICO DE DC
CARACTERÍSTICAS:
Desde potencias fraccionaras hasta el millar de KW.
 Tareas de regulación de velocidad y par en rpm
APLICACIONES:
Aplicaciones de regulación de velocidad en general.
Maquinaria de envase y embalaje
Sistemas de ventilación
Cintas transportadoras
Aplicaciones que requieren gran precisión.
Posicionamiento angular
Regulación de par y par a cero en rpm.
Enrolladoras y Sistemas de Elevación
Regulador de motores de potencias grandes
Laminadoras y maquinaria extrusora.

CLASIFICACIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO
SEGÚN EL TIPO DE CORRIENTE UTILIZADA
MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA:
Los Motores de Corriente Alterna (AC): Son los tipos de motores más usados en la industria, ya
que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de voltajes “comunes”. En la
actualidad, el motor de corriente alterna es el que más se utiliza para la mayor parte de las
aplicaciones, debido fundamentalmente a que consiguen un buen rendimiento, bajo
mantenimiento y sencillez, en su construcción, sobre todo en los motores asíncronos.
Suelen clasificarse de la siguiente manera:
 MOTORES UNIVERSALES
 MOTORES ASÍNCRONOS
 MOTORES SÍNCRONOS
 MOTORES DE JAULA DE ARDILLA

MOTOR ELÉCTRICO DE AC
CARACTERÍSTICAS:
Desde potencias fraccionaras hasta centenas ó millares de KW.
 Arranque por contactores ó arrancadores simples ó progresivos.
 Regulación de velocidad y buena precisión de 10 a 95% Velocidad nominal.
 Regulador de velocidad por deslizamiento y prestaciones de regulación media.
APLICACIONES:
Regulación de maniobras de elevación con motores mediana potencia.
Variadores de velocidad de poca potencia.
 Arranque de otros motores de decenas y centenas de KW por medio del sistema
de resistencias rotóricas.
 Corriente es inferior a la necesaria para un motor con rotor de jaula con
arranque en conexión estrella-delta.
 Permite sustituir los sistemas de corriente continua en la planta .
 Debido al tamaño mayor, permite cargas mecánicas en el eje llegando a millares de Kg.

3.2.- ACTUADORES NEUMÁTICOS
A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les
denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores
hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña
diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen
poca viscosidad. Podemos enlistarlos de la siguiente manera:
 CILINDRO NEUMÁTICO DE EFECTO SIMPLE
 ACTUADOR NEUMÁTICO DE EFECTO DOBLE
 CON ENGRANAJE
 MOTOR NEUMÁTICO CON VELETA
 CON PISTÓN
 CON UNA VELETAA LA VEZ
 MULTIVELETA
 MOTOR ROTATORIO CON PISTÓN
 DE RANURAVERTICAL
 DE ÉMBOLO
 FUELLES, DIAFRAGMA Y MÚSCULO ARTIFICIAL

SIMBOLOGÍA DE ACTUADORES
NEUMÁTICOS
A continuación se muestra la simbología básica y su nombre normalizado de los
principales actuadores neumáticos tipo cilindro utilizados en la industria.

ACTUADORES NEUMÁTICOS

VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS
NEUMÁTICAS
Las válvulas distribuidoras son elementos que controlan el paso, el paro o la dirección del
paso del fluido. Según su construcción se distinguen dos tipos:
VÁLVULAS DE CORREDERA
En este tipo de válvulas el paso del fluido se abre y se cierra
mediante correderas cilíndricas, planas o circulares.
Realmente es un émbolo que al desplazarse a un lado u otro
lo que hace es unir o separar conductos. La estanqueidad en
este tipo de válvulas no es tan buena como en las válvulas de
asiento, ya que siempre se debe dejar un pequeño juego entre
la corredera y el cilindro.
VÁLVULAS DE ASIENTO
En este tipo de válvulas el paso del fluido se abre
y se cierra mediante bolas, discos, placas o conos,
y la estanqueidad se asegura, habitualmente, por
medio de juntas elásticas. Estas válvulas tienen
gran duración ya que hay pocos elementos de
desgaste. Además, la fuerza de accionamiento es
bastante elevada.

VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS
Se entiende por posiciones de una válvula distribuidora el número de posiciones que adopta
interiormente el mecanismo de la válvula cuando es accionada por sus accionamientos. El
símbolo de estas válvulas se representa por cuadros, poniendo tantos como posiciones tiene
la válvula. La mayoría de las válvulas distribuidoras son de 2 ó 3 posiciones.

SIMBOLOGÍA DE VÁLVULAS
DISTRIBUIDORAS

CIRCUITO NEUMÁTICO DE
COMPRESIÓN DE AIRE
A continuación se presentan los elementos involucrados en un sistema de suministro de
aire comprimido para darle la fuerza de desplazamiento a los actuadores neumáticos.

ACTUADORES NEUMÁTICOS
VENTAJAS
 Relación de compra en bajo precio.
 Óptimos para aplicaciones de
posicionamiento de manera rápida
pero con muy poca fuerza.
 Estructura de funcionamiento
relativamente sencilla.
 Construcción y materiales robustos.
DESVENTAJAS
 Dificultad de control continuo.
 Instalación en el proceso de
forma especial (Rieles,
Compresor, Mangueras, Filtros,
etc.).
 Resultan ser ruidosos al
momento de su funcionamiento ó
al realizar venteos.

3.3.- ACTUADORES HIDRÁULICOS
Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de
acuerdo con la forma de operación, funcionan sobre la base de fluidos a presión. Existen
tres grandes grupos:
 CILINDRO HIDRÁULICO.
 MOTOR HIDRÁULICO.
 MOTOR HIDRÁULICO DE OSCILACIÓN.
CILINDRO HIDRÁULICO
De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de
Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para
empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la
fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.

ACTUADORES HIDRÁULICOS
CILINDRO DE PRESIÓN DINÁMICA.
Lleva la carga en la base del cilindro. Los
costos de fabricación por lo general son bajos
ya que no hay partes que resbalen dentro del
cilindro.
CILINDRO DE SIMPLE EFECTO.
La barra esta solo en uno de los extremos del
pistón, el cual se contrae mediante resortes o
por la misma gravedad. La carga puede
colocarse solo en un extremo del cilindro.
CILINDRO DE DOBLE EFECTO
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso
horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón.
CILINDRO TELESCÓPICO
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al
cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente larga en comparación con
la longitud del cilindro

COMPONENTES MECÁNICOS INTERNOS
DE UN CILINDRO HIDRÁULICO
A continuación se presenta la estructura interna en un corte axial de un actuador lineal
hidráulico (Cilindros).
ACTUADOR HIDRÁULICO
DE SIMPLE EFECTO
ACTUADOR HIDRÁULICO
DE DOBLE EFECTO

CIRCUITO HIDRÁULICO DE
COMPRESIÓN DE FLUÍDO
A continuación se presentan los elementos involucrados en un sistema de suministro de
fluido comprimido para darle la fuerza de desplazamiento a los actuadores hidráulicos.

MOTOR CON PISTÓN DE EJE INCLINADO
El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza
resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección
de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta
velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje.
MOTOR OSCILANTE CON PISTÓN AXIAL
Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo
al circuito en el momento que éste lo precise.

VENTAJAS
 Alta relación de potencia de trabajo,
comparada con el peso el actuador.
 Alta capacidad de carga y estabilidad
frente a cargas estáticas.
 Contienen sistemas autolubricantes.
 Son de una velocidad media y más
resultan más precisos a comparación
de actuadores neumáticos.
DESVENTAJAS
 Electro válvulas de uso y
construcción robusta, lo que las
hace elevar su precio.
 Instalación en el proceso de
forma especial (Rieles,
Bomba, Mangueras, Filtros, etc.).
 Difícil y costoso mantenimiento .
 Frecuentes fugas en el cuerpo del
actuador y sus accesorios.

COMPARACIÓN ENTRE LOS
DIFERENTES TIPOS DE ACTUADORES

3.4.- TIPOS DE VÁLVULAS
En el control automático de procesos industriales, la Válvula de Control juega un papel
muy importante en el Lazo de Control y regulación. Pues 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.
“Una válvula se puede definir como un dispositivo
mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza
movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno
o más orificios o conductos dentro de una tubería.”
Actualmente la mayoría de los elementos de control se hacen
referentes a una válvula y se puede decir que el elemento final
de control más representativo son la Válvulas de Control ya
que actualmente el 80 % de todos los elementos finales.

Como vimos, la función principal de toda válvula es variar el flujo de material ó energía
a un proceso de control, modificando el valor de la variable de medida, comportándose
como un orificio de área variable.
Por lo que las válvulas funcionan según el teorema de Bernoulli, el cual describe que el
flujo a través de un orificio como:
VÁLVULAS DE CONTROL

Una clasificación primaria de una Válvula, es por el tipo
de accionamiento del actuador de ésta misma.
Las partes mas constitutivas de una Válvula actuada con
energía se observa en la imagen de la izquierda donde
se localizan el: Actuador, Vástago, Indicador de
Posición y el Cuerpo de la Válvula.

Como se observó en la dispositiva anterior; las válvulas pueden ser de varios tipos según
sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador.
Tiene una primera clasificación de acuerdo al tipo de movimiento que ejecuta el
obturador, la cuales son de desplazamiento Lineal y Rotativo.

Una válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente
transformada en una de tipo neumática que incide el cabezal.
Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes:
 ACTUADOR: Es quien recibe la señal de controlador y la transforma en un
desplazamiento (lineal ó rotacional) merced a un cambio en la presión
ejercida sobre el diafragma.
 CUERPO: El diafragma está ligado a un vástago ó eje que hace que la sección de
pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.
Con un diagrama en bloques se puede representar a la válvula como un sistema en serie.

ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE
CONTROL INDUSTRIAL
Desde el punto de vista estático el actuador es moderadamente lineal y la dinámica más
significativa es la de llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los
segundos. El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica
de flujo como se verá.
Especificar una válvula de control a nivel ingeniería implica determinar las características de:
CUERPO E INTERNOS DE LA VÁLVULA: Indicando el tipo, material y serie que se
fija de acuerdo al servicio que debe prestar. También hay que indicar el diámetro que está
relacionado con la capacidad y a esto se lo denomina dimensionamiento. Por último,
algunos tipos de válvula permiten elegir la Característica de Flujo.
TIPO DE ACTUADOR: Una vez conocidos los detalles del cuerpo se debe elegir el tipo
de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico, etc.), la acción ante falla y el tamaño.
ACCESORIOS: Corresponde a elementos adicionales como transductores I/P o V/P,
volante para accionamiento manual, posicionador, etc.

PARTES PRINCIPALES DE UNA VÁLVULA DE
CONTROL DE MOVIMIENTO LINEAL

ACCIÓN EN CASO DE FALLA DE UNA
VÁLVULA DE CONTROL
La principal consideración frente a una falla de energía, se relaciona con la “Posición de
Falla” ó “Acción de la válvula”, donde la seguridad es el factor principal; es decir, decidir
si ante una falla de energía la posición más segura de la válvula es que se coloque en una
situación completamente cerrada o completamente abierta.
Cuando la posición más segura de la válvula es la completamente cerrada, el ingeniero debe
especificar una válvula de Falla Cerrada (Fail-Closed, FC).
En cambio cuando lo
mas seguro es que la
válvula, ante una falla
energética se encuentre
completamente abierta
se debe especificar una
válvula de Falla Abierta
(Fail-Open, FO).

SIMBOLOGÍA GENERAL DE VÁLVULAS

TIPOS DE CUERPOS DE VÁLVULAS
Las válvulas se clasifican de acuerdo al tipo de cuerpos; donde existen grandes variedades
que se adaptan a la aplicación. Teóricamente el tipo debe adoptarse en función de las
necesidades del proceso, aunque a veces hay razones, económicas por ejemplo, que obligan a
usar un tipo aunque éste no sea el más adecuado.
Los que más se emplean en la práctica industrial se muestran en la tabla siguiente

TIPOS DE CUERPOS DE VÁLVULAS

OPTURADORES DE MOVIMIENTO LINEAL
OPTURADORES DE MOVIMIENTO CIRCULAR

DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL
Por dimensionamiento se entiende la determinación del tamaño de la válvula, que viene
dado por su diámetro; existen razones técnicas, ya que válvulas sobre-dimensionadas
pueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo de control.
El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como el Procedimiento de
“Cv”; el cual es el Coeficiente de Flujo de la válvula y depende del tipo, diámetro y grado
de apertura de este dispositivo.
Las fórmulas básicas para el cálculo de CV son:

DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL
Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es subcrítico y turbulento. Además, para líquidos
hay que verificar que no se produzca cavitación. Si el régimen es viscoso o de transición se
deben aplicar otras fórmulas.
Cuando hay vaporización parcial del líquido, el régimen es crítico y se tiene en cuenta con una
ecuación de dimensionamiento distinta con un coeficiente adicional.

VÁLVULAS ELECTRONEUMÁTICAS
Para las válvulas grandes puede ser que un accionamiento con motor eléctrico no sea práctico.
La inercia y la fricción de arranque del conjunto de la válvula pueden ser demasiadas para usar
un motor eléctrico como dispositivo posicionador. En esos casos, la válvula se mueve con
presión neumática o hidráulica.
Operador electroneumático de
válvula. La posición del vástago de
la válvula es proporcional a la
señal eléctrica de entrada, en la
parte superior derecha de la figura.

VÁLVULAS ELECTROHIDRÁULICAS
En los casos de control en los que la válvula o la compuerta son muy masivos, o cuando es
difícil mantener la válvula en una posición fija debido a grandes e irregulares fuerzas que
ejerce el fluido en movimiento, el mejor actuador es un posicionador hidráulico. También, si
casi no se mueve una válvula, puede atorarse en determinada posición, debido Los mecanismos
o ejes de movimiento, dificultando soltarlos cuando se debe reposicionar la válvula; para
manejar este caso se podrá necesitar un posicionador hidráulico.
Posicionador electrohidráulico de
válvula, que usa un tubo inyector.
La posición de la válvula es
proporcional a la señal eléctrica de
entrada.

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS
DE CAUDAL PARA APLICACIONES DE CONTROL
En base a lo expuesto anteriormente, se puede concluir que existen características de
caudal inherente con ganancia constante (lineal), creciente (igual porcentaje y parabólica
modificada) y decreciente (apertura rápida). Para poder realizar un análisis más detallado
de las diferencias en las ganancias de ésas características de caudal, es preferible analizar
un sistema de control en lazo cerrado como el que se muestra a continuación.
Donde:
K = Ganancia del controlador.
KG = Ganancia del actuador de la válvula.
KV = Ganancia de la característica de caudal, o ganancia de la válvula.
KP = Ganancia del proceso.
GP = Función de transferencia del proceso.
KT = Ganancia del transmisor.
GT = Función de transferencia del transmisor.

ANÁLISIS COMPARACTIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS
La característica de caudal adecuadamente seleccionada debe contribuir de forma que la
ganancia de lazo abierto sea constante, con lo que se obtendrá un sistema de control
dinámicamente estable a cualquier variación de carga y la realimentación generada por el
transmisor logre ubicarse en los niveles óptimos.
A continuación se hará un análisis de las cuatro características de caudal en función
de sus respectivas ganancias o sensibilidades.
CARACTERÍSTICA DE CAUDALES
INHERENTES
CAUDALES INHERENTES DE VÁLVULAS DE CONTROL
NO CARACTERIZADAS

ANÁLISIS COMPARACTIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS
CARACTERÍSTICAS DE CAUDAL TIPO APERTURA RÁPIDA.
Produce una ganancia muy alta a bajas aperturas de carrera y una ganancia muy baja en
aperturas por encima de 60 % de carrera total. Tal particularidad de ganancia decreciente,
según aumenta el caudal, es inadecuada para su utilización en aplicaciones en las cuales sea
necesario un control del tipo modulado. Por lo tanto, la característica de caudal tipo apertura
rápida se destina sólo para aplicaciones en control de tipo biestable, donde la válvula sólo
toma dos posiciones: toda abierta y toda cerrada.
CARACTERÍSTICA DE CAUDAL TIPO LINEAL.
Produce una ganancia constante en toda la carrera de la válvula. Es, por lo tanto, (desde el
punto de vista teórico), la característica de caudal más aconsejable para aplicaciones en
control modulado.
CARACTERÍSTICAS DE CAUDALTIPO ISOPORCENTUALY PARABÓLICA MOD.
Producen ganancias crecientes, esto es su ganancia es baja al comienzo de la apertura de la
válvula y va aumentando a medida que aumenta la apertura de la válvula. En la
característica igual porcentaje, tal ganancia creciente es más pronunciada que en la
característica parabólica modificada.

ANÁLISIS COMPARACTIVO DE LAS
CARACTERÍSTICAS DE CAUDAL PARA
APLICACIONES DE CONTROL

3.5.- CRITERIOS DE SELECCIÓN
Para realizar un criterio de selección de un dispositivo final de control, se deben de ver los
problemas comunes en campo asociados con las válvulas y se caracterizan por:
• Necesidad de frecuente mantenimiento; el ciclo de mantenimiento debe hacerse muchas
más veces lo que se ha vuelto una norma.
• Las válvulas causan preocupación durante el cierre y apertura en lo que se refiere a si
superarán los fenómenos transitorios. Sin embargo una vez que el sistema está a completa
carga los problemas desaparecen.
• Válvulas para las cuales el sistema de control debe ser puesto en operación manual porque
ocurren problemas cuando el sistema está en automático.
• Lazo de control de bypass son puestos en servicio durante el arranque y cierre transitorios
para permitir una operación estable de la válvula principal.

CRITERIOS DE SELECCIÓN
Estos problemas existen a causa de:
• Mala aplicación del diseño de la válvula seleccionada.
• Los llamados Sobre-dimensionamiento ó sub-dimensionamiento de la válvula para la
necesidad del proceso.
• Requerimientos pobremente especificados al proveedor.
Uno de nuestros objetivos es la apropiada especificación de la válvula de control para
evitar muchos problemas como anteriormente descritos.
Las especificaciones para válvulas de control son lo que indican lo mínimo que debe de
contener una válvula para satisfacer todas las condiciones de operación, el tipo de
aplicación y los requerimientos del usuario. Todas las especificaciones se relacionan con las
partes de la válvula de control y el flujo de fluidos, considerando la experiencia acumulada
del usuario y de las instituciones que normalizan todo lo relacionado con las válvulas de
control, como es la ISA que rige para toda América.
ESPECIFICACIÓN CORRECTA EN

En general las especificaciones para una válvula de control deben de ser las siguientes:
1.- EL TRIM (INTERNOS) DE LA VÁLVULA:
Las especificaciones mencionan cómo deben de diseñarse y calcularse las diferentes partes de la
válvula de control en función de los datos y detalles de operación y diseño y de los requerimientos
del usuario. Cuando un usuario solicita una válvula de control para una construcción nueva o en
substitución de una válvula existente, debe de dar junto con los datos de operación las
especificaciones (Aplicación, Cuerpo, Material de Construcción , Caudal Inherente, Kv ó Cv, etc.).
2.- EL ACTUADOR:
Para seleccionar el actuador, debe tomarse en consideración las condiciones de operación y las
especificaciones. Los actuadores pueden ser tipo neumático ó eléctrico, de pistón ó diafragma o de
piñón y cremallera de doble acción ó retorno por resorte. Se debe analizar el suministro de aire
disponible en la red neumática y tener en consideración la calidad del mismo.
3.- El POSICIONADOR:
Es el accesorio más importante asociado a una válvula de control. Puede ir de manera
independiente (solo posicionador) ó integrado con el convertidor I/P. Se monta sobre cualquier
tipo de válvula, sea está lineal ó cuarto de vuelta. Su función es la regulación de la válvula de
acuerdo a una señal procesada bajo algún algoritmo de control que responde con una señal
análoga de 4 - 20mA.

4.- EL LAZO DE CONTROL
Finalmente es necesario el contemplar todo el lazo de control para determinar las
características de respuesta de la válvula a diferentes señales y en régimen transitorio; para ello
es necesario realizar pruebas de lazo completo que incluya desde los sensores, transmisores,
controladores y cuidar la salida del posicionador y el movimiento del actuador.

3.6.- SEÑALES DE MANDO PARA
ACTUADORES
Dentro del mundo de los sistemas instrumentados, la comunicación por medio de señales
de mando juega un papel importante el cual se compone de dos niveles básicos: el enlace
físico (estándares) y de protocolos de comunicación.
Las señales de mando para los actuadores deben de ser
tratadas algunas; antes de llegar directamente al dispositivo
al cual se pretende controlar el valor de la variable. Las
señales de mando más destacadas son las siguientes:
Señal Neumática: 3-15 psi ó 6-30 psi.
Señal Electrónica: 0-20, 4-20 mA ó 0-5, 0-10V.
Señal Digital: Protocolo Dig. (HART, ModBus, etc.)
Señal Hidráulica: (No normalizada).
Estas señales deben de ser tratadas de acuerdo a la
normatividad exigida por la ISA ó los fabricantes;
se debe de utilizar equipo adicional para que sean
acondicionadas, amplificadas ó convertidas.
Highway Addressable Remote Transducer

CONVERTIDORES DE SEÑALES
Las válvulas de control de funcionamiento neumático requieren de un convertidor o
transductor para cambiar la señal eléctrica proporcional a una señal neumática proporcional.
Generalmente, el convertidor viene como parte de la válvula; en algunos casos, el
convertidor es una parte separada montada cerca de la válvula.
SUMINISTRO DE AIRE PARA
INSTRUMENTOS
Su propósito es convertir la salida analógica de un sistema de control en un valor preciso,
repetible de presión para controlar actuadores neumáticos / operadores, válvulas
neumáticas, amortiguadores, paletas, etc.
El sistema artificial de
aire para instrumentos
es una planta de
compresión de aire; el
cual suministrará en
flujo de aire seco y
filtrado para el
funcionamiento de la
instrumentación
neumática que lo
requiera con flujos
desde 100, 50 y 20 psi.

Las válvulas de control de funcionamiento neumático requieren de un convertidor o
transductor para cambiar la señal eléctrica proporcional a una señal neumática proporcional.
Su propósito es convertir la salida analógica de un sistema de control en un valor preciso,
repetible de presión para controlar actuadores neumáticos / operadores, válvulas neumáticas,
amortiguadores, paletas, etc.
CONVERTIDOR I/P
La aplicación más común de
un transductor I/P es para
recibir una señal eléctrica
desde un controlador y
producir una salida neumática
proporcional para producir el
funcionamiento de una válvula
de control o posicionador.
El convertidor I/P utiliza un principio de
fuerzas en equilibrio electromagnético
entre la bobina y el diafragma y relé
para cambiar las señales eléctricas en
señales neumáticas

CONVERTIDOR P/I
Existen aplicaciones en las que las señales de un controlador neumático es necesaria
convertirla en una señal eléctrica de 4-20 mA y/o en protocolo HART para un control
eficiente, remoto ó integrarlo en un sistema de control supervisorio ó DCS.
Para ello nos valdremos de un Convertidor P/I el cuál hace el proceso inverso al anterior y
su principio de funcionamiento es similar; salvo que para convertir las señales neumáticas
en eléctricas el sistema de realimentación con pilotos y sistemas toberas-palometas con
barras de equilibrio resulta ser un poco más complejo.
Se debe de asegurar que la señal de salida, sea lo
más posible lineal; tal y como se muestra en la
gráfica de la izquierda

REPETIDORES Ó BOOSTER´S
El repetidor o “Booster” reduce el tiempo de transmisión de la señal en el
lazo de control; un repetidor aumenta varias veces la velocidad de apertura o
de cierre del actuador de una válvula.
Es esencialmente un convertidor P/P (presión neumática a presión
neumática), de razón 1:1, alimentado con aire con un volumen de entrada
muy pequeño y con una gran capacidad de entrega de caudal de aire; por lo
general se maneja un suministro de 20 psi en actuadores y/o controladores
que manejan el estándar de 3 - 15 psi.

POSICIONADORES EN
Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que recibe una
señal de entrada desde un dispositivo de control y modulan la presión de
suministro al actuador de la válvula de control.
•Su función principal es la de asegurar que la
posición de este vástago corresponda a la
señal de salida del controlador o regulador.
•Puede efectivamente ser descrito como un
controlador de lazo cerrado, que tiene como
señal de entrada la señal de mando de un
dispositivo de control; su salida, que va al
diafragma del actuador; y su señal de
realimentación proveniente del vástago del
cuerpo de la válvula.

POSICIONADORES EN
El Posicionador dispone, normalmente de tres manómetros para indicar las
presiones de aire de alimentación, de la señal procedente del controlador y de la
señal de salida del Posicionador a la válvula.

VÁLVULAS INTELIGENTES
La evolución que ha experimentado los actuadores neumáticos en los últimos años ha
progresado significativamente; hoy en día existen las denominadas Válvulas Inteligentes, que
centralizan toda la instalación neumática en un punto de la máquina y el control, en los
actuadores por medio de enlazar todos estos elementos al PLC utilizando un bus de datos, con
lo que se suprimen todos los problemas derivados del cableado tradicional.
Básicamente el nombre de válvula inteligente se debe a la presencia
de un posicionador digital que reemplaza al posicionador tradicional.
En el diagrama en bloques mostrado en la figura siguiente, el
controlador digital de válvula (DVC) se ubica dentro del
posicionador digital.
Existen Válvulas Inteligentes que se integran en todo
tipo de buses de datos gracias a los distintos tipos de
acoplamientos. Existen acoplamientos para Modbus,
Profibus, DeviceNet, etc.

VÁLVULAS INTELIGENTES
Al integrar sensores dentro del posicionador y el cuerpo de la válvula en general y procesarlas en un
PLC ó Computadora de Control; se pueden obtener beneficios como los que se mencionan en la
tabla que sigue; donde se muestra la información accesible remotamente de una válvula inteligente.
Se observa la información de identificación, las de diagnóstico, calibración entre otras.

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