El elemento de control final es el mecanismo que altera el valor de la variable regulada, en respuesta a la señal de salida que se obtiene de un dispositivo de control de manejo manual o por alguna manipulación manual directa.
En instalaciones de control automático; éste consta normalmente de dos partes Un activador que traduce la señal de salida del dispositivo controlador en una acción que comprende una gran fuerza o la manipulación de una energía de gran magnitud, y un dispositivo que responde a la fuerza del activador y que ajusta el valor de la variable regulada. Por ejemplo: el activador se puede usar para cambiar la posición de un tapón de válvula en un orificio, la velocidad de un dispositivo giratorio o la cantidad de energía que se suministra a una carga eléctrica.
En el control automático de procesos, el elemento de control final que se emplea con mayor frecuencia es la válvula de diafragma motor (VDM). Consta de un activador neumático de diafragma motor y una válvula de control del fluido de proceso.
Cada dispositivo que se utiliza para constituir un elemento de control final posee sus propias características de retardación dinámica o constantes de tiempo. Esto quiere decir que los dispositivos no responderán de manera instantánea a los cambios de las señales de control o a las perturbaciones de la carga. La importancia del efecto de los retrasos depende del proceso en que se emplea el dispositivo. En algunos casos, estos retrasos pueden degradar gravemente el funcionamiento del sistema de control y por lo tanto, provocar menguas en los buenos resultados del proceso. También pueden hacer que se requiera mayor atención e intervención del operador.
Válvulas de control
partes de la válvula en forma especial: Primero, el cuerpo de la misma, sus aspectos geométricos y los materiales de construcción y en segundo lugar, el macho o tapón de la válvula, su geometría y sus materiales de construcción. La geometría combinada del cuerpo y el tapón determinan las propiedades de flujo de la válvula.
La mayoría de las válvulas operan por medio de un actuador de posición lineal o alguna modificación de este tipo de actuador. Estos actuadores colocan el macho de la válvula en el orificio, en respuesta a una señal proveniente del controlador automático o a través de un ajuste mecánico manual.
Una válvula neumática siempre tiene algún retraso dinámico, el cual hace que el movimiento del vapor no responda instantáneamente a la presión aplicada desde el controlador. Se ha encontrado que la relación entre el flujo y la presión para una válvula lineal puede a menudo representarse por una función de transferencia de primer orden; esto es:
Donde Q(s) = variable manipulada
U(s) = señal proveniente del controlador ( presión o mA) y actúa sobre la válvula
KV = constante de válvula (ganancia al estado estacionario) τ V = Constante de tiempo de la válvula
En muchos sistemas prácticos, la constante de tiempo de la válvula es muy pequeña comparada con las constantes de tiempo de otros componentes del sistema de control, y la función de transferencia de la válvula puede ser aproximada a una constante
Bajo estas condiciones, la válvula contribuye con un retardo dinámico despreciable.
Ejemplo 6.14
Para justificar la aproximación de una válvula rápida mediante una función de transferencia la cual se simplifica a Kv, considerar una válvula de primer orden y un proceso de primer orden conectados
Fig. 6.23 Diagrama de bloques para una válvula de primer orden y un proceso de primer orden Como se verá mas adelante según el álgebra de bloques, la función de transferencia Y(s)/U(s) es
Para un cambio de una unidad de escalón en U
El inverso de esta ecuación es
Si τ v << τ p, esta ecuación es aproximadamente
y(t) = (KvKp)(1 – e-t/τ p) (6.154)
La última expresión es la respuesta de la función de transferencia
a una unidad de escalón, de tal manera que la combinación de la válvula y el proceso es esencialmente de primer orden. Esto claramente demuestra que, cuando la constante de tiempo de la válvula es muy pequeña comparada a la del proceso, la función de transferencia de la válvula puede ser tomada como
Fig. 6.24 Bloque generalizado: X(s) es la posición del vástago de la válvula y Q(s) el flujo de fluido de proceso producido por la ubicación instantánea del vástago.
Actuadores de posición final
Según la definición antes establecida para el desarrollo de control final, el actuador es un transductor. Este dispositivo se encarga de transducir la señal de control de una forma o un nivel de energía o potencia a otra, por ejemplo: de señal neumática a acción mecánica que se utiliza para regular una variable de proceso. En casi todos los casos, el actuador de válvula se puede clasificar como actuador de posición lineal. Suministra una posición de salida que es proporcional a una señal de entrada. El movimiento del elemento de salida del activador es, casi siempre, de translación (en oposición o rotacional), aunque el movimiento de translación se puede transformar en rotatorio para operar algunas válvulas.
Posicionadores y elevadores de potencia (“boosters”)
El posicionador es un amplificador neumático – mecánico con retroalimentación que tiene una alta ganancia (de 1 a 100).
Hay otro dispositivo auxiliar que se emplea para mejorar el funcionamiento de ciertos tipos de elementos de control final, que es el reforzador o relevador piloto. El reforzador es un amplificador de alimentación directa y potencia neumática.
Válvulas alimentadoras de sólidos
Los actuadores de posición lineal y las válvulas de control que se describieron con anterioridad, se emplean primordialmente para el control de flujo de fluidos (líquidos o gases). Hay otras clases de
equipos que se necesitan para manejar la transferencia de materiales sólidos. El equipo con válvula de medición de sólidos en particular depende del volumen, la densidad, la forma especifica y el tamaño de los sólidos que se van a manejar.
Propulsores de velocidad variable
El motor de velocidad variable es un propulsor de velocidad variable de uso común. Este tipo de dispositivo puede ser un motor eléctrico universal con una fuente de voltaje ajustable o un motor eléctrico de c.a., que se alimenta por medio de una fuente de frecuencia ajustable. Para aplicaciones especiales, el motor de velocidad variable puede ser de tipo turbina de gas o aire, en donde la presión de la fuente se hace variar para cambiar de velocidad.
6.6.5 Función de transferencia de elementos de transporte