Elementos finales de control

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I. SERVOMOTOR NEUMATICO

Los servomotores accionan el movimiento del vástago y el obturador. Pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos o digitales. Pudiéndose afirmar que el 90% de las válvulas son accionadas de forma neumática.

Los servomotores neumáticos (véase figura 1.1.1) están compuestos por un diafragma con un resorte, generalmente estos servomotores trabajan con una presiónde 3 y 15 psi (0, 2-1 bar). Al aplicar dicha presión en el diafragma, el resorte tiende a comprimirse ocasionando que el mecanismo interno se mueva hasta llegar a un equilibrio de fuerzas, ocasionadas por la presión de aire, el diafragma y la fuerza que ejerce el resorte.

(Fig. 1.1.1)- Servomotor Neumático.

Idealmente con una presión de 3 psi (0,2 bar) la válvula debe de estar en laposición 0 y para la señal de 15 psi (1 bar) en la posición 100. Así pues debe de haber una proporción directa entre las señales de entrada y el movimiento de posición. En la práctica esto no es posible debido a las siguientes causas:
1.-rozamientos en la estopada.
2.- Histéresis y falta de linealidad del resorte.
3.- el área del obturador varia con la carrera del vástago.
4.-esfuerzo entre elobturador y la válvula creado por la presión del fluido.
5.-fuerza de asentamiento.

En la siguiente figura (fig. 1.1.2) se puede observar donde actúan las fuerzas en la válvula de control. El peso del obturador Fw solo se considera cuando la válvula esta en posición vertical. La fuerza estática y dinámica Fp, son producidas en mayor parte por la presión del fluido sobre el obturador. Lafuerza Fb1 propicia una fuerza adicional en el servomotor para comprimir o tensionar los fuelles y fuerza Fb2 es igual al producto del área efectiva del fuelle por la presión del fluido que existe en la válvula de control.

(fig. 1.1.2)- Fuerzas que actúan en la válvula de control.

En donde:
Fa= Fuerza resultante obtenida por el servomotor
Fr= Fuerza de rozamiento
Fs= fuerza deasentamiento
Fw= fuerza de obturador
Fb1= fuerza elástica del fuelle
Fb2= fuerza de desequilibrio del fuelle de estanqueidad
Fp= Fuerza estática y dinámica sobre el obturador

Se puede decir pues que debe de existir entre todas estas fuerzas un equilibrio que viene dado por la siguiente formula:
Fa ≥ Fr + Fs + Fw + Fb1 ± Fb2 + Fp

Comúnmente los fabricantes de las válvulas otorgan los valoresde tamaños de los servomotores de acuerdo con el tamaño del cuerpo de las válvulas donde van montadas. La fuerza de rozamiento Fr se produce entre el vástago y la empaquetadura (teflón, teflón, asbestos, grafito-asbestos, etc.), dicha fuerza depende, de la empaquetadura, de su longitud, de la temperatura, de su compresión, de los coeficientes estáticos y dinámicos y del estado que seencuentre la superficie del vástago. Resulta muy complicado calcular todo lo que influye en una válvula de control, pero una regla practica da los siguientes valores:


Las válvulas con obturador de movimiento circular (véase figura 1.1.3) y con un servomotor de acoplamiento, con oscilación libre del vástago, tienen solo un rozamiento en la estopada de la superficie en contacto con el árbol de girodel obturador.

(fig. 1.1.3).-Obturador de movimiento circular

La fuerza de asentamiento es la fuerza que permite a la válvula cerrar y conseguir que excitan fugas mínimas del fluido. Esta fuerza depende tanto del aro de asiento como el grado de mecanización. Dicha fuerza se puede calcular mediante la siguiente formula general:
Fs = 0.5 π DS
En donde:
Fs = Fuerza de asentamiento, en Kg.Ds = Diámetro interior del asiento, en cm.

Existen diferentes tipos de válvulas (figura 1.1.4) en donde las fuerzas dinámicas y estáticas varían según el tipo. A continuación se describe la forma de obtener dichas fuerzas dependiendo del tipo de válvula.

(Figura 1.1.4).-Fuerzas estáticas en diferentes tipos de válvulas

En la válvula de simple asiento (vea figura 1.1.4 a) en la...
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