October 23, 2024
El posicionador de válvula (Valve Controller) es un dispositivo utilizado para controlar y regular con precisión la posición de una válvula de control.se ajusta la apertura de la válvula al punto de ajuste deseado, asegurando así que los parámetros del proceso (por ejemplo, presión, temperatura, caudal, etc.) permanezcan dentro de rangos predeterminados.y se utilizan ampliamente en petróleo y gasLa industria química, farmacéutica, de tratamiento de aguas y otras industrias.
La posición del tallo de una válvula de control neumático está relacionada linealmente con la presión del aire aplicada al actuador porque los resortes mecánicos tienden a seguir la ley de Hooke,que establece que la cantidad de movimiento del resorte (x) es directamente proporcional a la fuerza aplicada (F = kx)La fuerza aplicada por un actuador neumático es una función de la presión del aire y del área del pistón/diafragma (F=PA), y el resorte, a su vez, comprime o estira,producen una fuerza de reacción igual y opuestaEl resultado final es que la presión del actuador se traduce linealmente en movimiento del tallo (x=PA/k).
1- Posicionador de válvula de control.
Esta relación lineal y repetible entre la presión de la señal neumática y la posición del tallo solo es válida si, y sólo si,el diafragma de accionamiento/pistón y el resorte son las únicas fuerzas que actúan sobre el talloSi alguna otra fuerza actúa sobre el mecanismo, la relación entre la presión de la señal y la posición del tallo ya no será ideal.
Desafortunadamente, hay muchas otras fuerzas que actúan sobre el tallo además de las fuerzas del actuador y las fuerzas de reacción del muelle.y la fuerza de reacción en el carrete causada por la presión diferencial en el área del carrete es otraEstas fuerzas se combinan para reposicionar el tallo para que el viaje del tallo no esté precisamente relacionado con la presión del fluido de accionamiento.
Una solución común a este dilema es agregar un posicionador de válvula al conjunto de válvulas de control. A valve positioner is a motion control device designed to actively compare the stem position to a control signal and adjust the actuator diaphragm or piston pressure until the correct stem position is achieved:
El posicionador de válvulas en sí es básicamente un sistema de control: la posición del tallo de la válvula es la variable de proceso (PV), la señal de comando al posicionador es el punto de ajuste (SP),y la señal del posicionador al actuador de la válvula es la variable manipulada (MV) o salidaAsí, cuando el controlador de proceso envía una señal de comando a la válvula equipada con posicionador,el posicionador recibe esa señal de comando y aplica tanto o tan poca presión de aire al actuador como sea necesario para lograr la posición deseada del talloPor lo tanto, el posicionador "luchará" contra cualquier otra fuerza que actúe sobre el tallo de la válvula para lograr un posicionamiento claro y preciso del tallo de acuerdo con la señal de comando.Un posicionador que funcione correctamente garantiza que la válvula de control se "comporte" según la señal de comando.
2Ejemplo de posicionador de válvula neumático
La siguiente imagen muestra un posicionador neumático Fisher modelo 3582 montado en una válvula de control. El posicionador es una caja gris con tres manómetros en el lado derecho:
Parte del mecanismo de retroalimentación se puede ver en el lado izquierdo de este posicionador: un soporte metálico atornillado al conector del tallo que se une a un brazo que se extiende desde el lado del posicionador.Cada posicionador de válvula de control debe estar equipado con algún medio para detectar la posición del tallo, de lo contrario el posicionador no podría comparar la posición del tallo con la señal de comando.
Un posicionador más moderno, el Fisher DVC6200 (de nuevo en una caja gris con un manómetro en el lado derecho), aparece en la siguiente foto:
Al igual que el posicionador anterior del Modelo 3582, este DVC6000 utiliza un enlace de retroalimentación en el lado izquierdo para detectar la posición del tallo de la válvula.El DVC6200 más nuevo utiliza un sensor de efecto Hall magnético para detectar la posición de un imán atornillado al talloEste diseño de retroalimentación de posición no mecánica elimina la reacción, el desgaste, la interferencia y otros problemas potenciales asociados con los enlaces mecánicos.Una mejor retroalimentación es fundamental para una mejor posición de la válvula.
Los posicionadores de válvulas de control se construyen típicamente para generar y descargar altos flujos de aire, por lo que el posicionador también funciona como un amplificador de volumen850.el posicionador no sólo asegura un posicionamiento más preciso del tallo, pero también velocidades más rápidas del tallo (retrasos de tiempo más cortos) que los actuadores de válvulas que son "alimentados" directamente por el sensor I / P.
3- La válvula está en posición.
Otra ventaja de agregar un posicionador de válvula a una válvula de control neumático es que la válvula se sella (cierra bien) mejor.Esta ventaja no es evidente a primera vista y, por lo tanto, requiere alguna explicación..
En primer lugar, debe entenderse que, en una válvula de control, el contacto entre la bobina y el asiento por sí solo no es suficiente para garantizar un cierre firme.el carrete debe ser presionado fuerte contra el asiento para cerrar completamente todo el flujo a través de la válvulaCualquiera que haya apretado alguna vez el mango de un grifo con fugas entiende este principio intuitivamente:se requiere una cierta cantidad de fuerza de contacto entre el tapón y el asiento para deformar ligeramente las dos partesEl término técnico para este requisito mecánico es carga del asiento.
Imagínese una válvula de control de apertura neumática directa accionada por el diafragma con un ajuste de banco de 3 a 15 psi.el diafragma genera sólo la fuerza suficiente para superar la carga previa de la primavera actuador, pero no lo suficiente para mover el carrete del asiento.
En otras palabras, a una presión del diafragma de 3 psi, el carrete entrará en contacto con el asiento, pero habrá poca fuerza para proporcionar un sello de cierre apretado.Si esta válvula de control es alimentada directamente desde un sensor I/P calibrado de 3 a 15 PsiEsto significa que la válvula apenas se cerrará al 0% del valor de la señal (3 Psi), en lugar de cerrarse firmemente.toda la presión del aire debe ser eliminada del diafragma para garantizar que no haya una fuerza del diafragma contra el muelleEsto no es posible para un I/P con un rango de calibración de 3-15 psi.
Ahora imagine que la misma válvula está equipada con un posicionador que recibe una señal de 3 a 15 Psi de la I / P y lo utiliza como un comando (punto de ajuste) para la posición del tallo,aplicando tanta o tan poca presión al diafragma como sea necesario para lograr la posición deseada del talloLa forma correcta de calibrar el posicionador es que el tallo comience a levantarse sólo cuando la señal haya aumentado a un poco por encima de 0%,lo que significa que a 0% (4mA) el posicionador intentará forzar la válvula a una posición de tallo ligeramente negativaEn el intento de lograr este requisito imposible, la salida del posicionador alcanzará una baja saturación, sin ejercer presión sobre el diafragma de accionamiento,que resulte en que el tallo de la válvula ejerza toda su fuerza de resorte sobre el asiento de la válvulaEn el cuadro siguiente se muestra una comparación de los dos escenarios:
Si bien los posicionadores son útiles para los actuadores de válvulas equipados con resorte, son absolutamente esenciales para ciertos otros tipos de actuadores.Considere el siguiente actuador de pistón neumático de doble acción sin muelles:
Sin un resorte para proporcionar una fuerza de retención para devolver la válvula a la posición "segura de fallas", no existe una relación de la Ley de Hooke entre la presión de aire aplicada y la posición del tallo.El posicionador debe aplicar alternativamente presión de aire a ambas superficies del pistón para elevar y bajar el tallo.
Motorized control valve actuators are another actuator design that absolutely requires some form of positioner system because the motorized unit cannot “sense” the position of its own shaft to move the control valve accuratelyPor lo tanto, a positioner circuit using a potentiometer or LVDT/RVDT transducer to detect the position of the valve stem and a set of transistor outputs to drive the motor is required to enable the electric actuator to respond to analog control signals.
4. Posicionador neumático de equilibrio de fuerza
Se muestra a continuación un diseño simple de posicionador de válvula neumática con equilibrio de fuerza:
La señal de control para esta válvula es una señal neumática de 3 a 15 psi, procedente de un sensor de entrada/salida o de un controlador neumático (ninguno de los dos se muestra en el diagrama).Esta presión de la señal de control ejerce una fuerza hacia arriba en el haz de fuerzaEl aumento de la contrapresión en la boquilla hace que el relé de amplificación neumático emita más presión de aire al actuador de la válvula,que a su vez levanta el tallo de la válvula (abre la válvula)A medida que el tallo de la válvula se levanta, el resorte que conecta el actuador al tallo de la válvula se estira más, aplicando una fuerza adicional al lado derecho del actuador.Cuando esta fuerza adicional se equilibra con la fuerza de los fuelles, el sistema se estabiliza en un nuevo punto de equilibrio.
Al igual que con todos los sistemas de equilibrio de fuerza, el movimiento de la barra de empuje está limitado por la fuerza de equilibrio, por lo que su movimiento es insignificante en la práctica.el equilibrio se logra por una fuerza que equilibra a otra, como dos equipos de personas tirando de una cuerda: mientras las fuerzas de los dos equipos sean iguales en magnitud y en dirección opuesta, la cuerda no se desviará de su posición original.
El diagrama siguiente muestra el posicionador de equilibrio de fuerzas PMV 1500 para posicionar un actuador de válvula rotativa con la tapa en (arriba) y debajo (abajo):
Una señal de control neumático de 3 a 15 psi entra en el fuelle y empuja hacia abajo en el haz de fuerza horizontal (negro).El conjunto de válvulas piloto neumáticas en el lado izquierdo del haz de fuerza detecta cualquier movimiento y aumenta la presión del aire al diafragma de accionamiento de la válvula si se detecta cualquier movimiento hacia abajo, y libera presión de aire al actuador si se detecta algún movimiento ascendente:
Cuando el aire comprimido entre en el actuador de la válvula a través del conjunto de la válvula piloto, la válvula giratoria comenzará a girar en la dirección abierta.El movimiento rotatorio del eje se convierte en movimiento lineal dentro del posicionador por medio de una cámara: la cam es un disco con un radio irregular diseñado para producir un desplazamiento lineal a partir de un desplazamiento angular:
Un seguidor de rodillos situado en el extremo del haz de color dorado se mueve a lo largo de la circunferencia de la cámara.El movimiento de la came se convierte en una fuerza de trazo recta por compresión del resorte de la bobina directamente contra la fuerza de los fuelles neumáticos en el haz de fuerzaCuando el movimiento de la navaja es suficiente para comprimir el resorte lo suficiente como para contrarrestar la fuerza adicional generada por los fuelles neumáticos,el haz de fuerza vuelve a la posición de equilibrio (muy cerca de la posición inicial) y la válvula deja de moverse.
Si observan de cerca la última foto, verán el tornillo de cero del posicionador: una varilla roscada que se extiende por debajo de la viga dorada.Este tornillo ajusta la compresión del resorte de sesgo de modo que la unidad posicionador piensa que la cámara está en una posición diferentePor ejemplo, girar esta varilla roscada en el sentido de las agujas del reloj (como se ve desde el extremo ranurado del enganche del destornillador) comprime más el muelle, empujando la varilla más oscura hacia arriba con más fuerza,obtención del mismo efecto que una ligera rotación en sentido contrario a las agujas del reloj de la navajaEsto hace que el posicionador actúe y gire la cámara en el sentido de las agujas del reloj para compensar, acercándola a la posición del tallo del 0%.
Aunque el cam y el seguidor en este mecanismo de posicionamiento en realidad se mueven en respuesta al movimiento del tallo,todavía puede ser considerado como un mecanismo de equilibrio de la fuerza, ya que el miembro transversal conectado a la válvula piloto no se mueve notablementeAl equilibrar las fuerzas sobre el haz, la válvula piloto está siempre en la posición equilibrada.
5. Posicionador neumático de equilibrio dinámico
También existen diseños de posicionador de válvula neumática de equilibrio de movimiento, donde el movimiento del tallo de la válvula contrarresta el movimiento (no la fuerza) de otro elemento.El siguiente diagrama de corte muestra cómo funciona un posicionador de movimiento equilibrado simple:
En este mecanismo, un aumento en la presión de la señal hace que el haz avance hacia la boquilla, lo que resulta en una mayor contrapresión de la boquilla,que a su vez hace que el relé de amplificación neumático entregue más presión de aire al actuador de la válvulaA medida que el tallo de la válvula se eleva, el movimiento hacia arriba del extremo derecho del haz compensa el avance anterior del haz hacia la boquilla.la viga estará en una posición inclinada donde el movimiento del fuelle se equilibra con el movimiento del tallo.
La siguiente fotografía muestra una vista de cerca del mecanismo de posicionamiento neumático de equilibrio FISHER modelo 3582:
En el corazón del mecanismo hay un anillo de metal en forma de D que traduce el movimiento del fuelle y el movimiento del tallo en movimiento de deflector.el fuelle (localizado debajo de la esquina superior derecha del anillo D) se expandeCuando el posicionador está configurado para el funcionamiento de acción directa, este movimiento de oscilación empuja el deflector más cerca de la boquilla.que aumenta la contrapresión y suministra más aire comprimido al actuador de la válvula:
A medida que el tallo se mueve, la palanca de retroalimentación gira la cámara en la parte inferior del anillo D.El rodillo? seguidor? en esta cámara traduce el movimiento del tallo de la válvula en otro movimiento de oscilación en la vigaDependiendo de cómo se fije la cámara al eje de retroalimentación, este movimiento puede hacer que la válvula se mueva más lejos de la boquilla o más cerca de ella.La dirección de la cámara debe elegirse para que coincida con la acción del actuador.: directa (el aire extiende el tallo de la válvula) o inversa (el aire retrae el tallo de la válvula).
El mecanismo del anillo en D es bastante ingenioso en el sentido de que permite un fácil ajuste de la envergadura ajustando el ángulo del conjunto de deflector (tapón) en varios puntos a lo largo de la circunferencia del anillo.Si el conjunto de deflector está situado cerca de la horizontal, será más sensible al movimiento del fuelle y menos sensible al movimiento del tallo, obligando a la válvula a moverse más lejos para igualar el pequeño movimiento del fuelle (largo curso).si el conjunto de válvulas está situado cerca de la vertical, será más sensible al movimiento del tallo y menos sensible al movimiento del fuelle, lo que dará lugar a una carrera de válvula muy pequeña (es decir,los fuelles deberán expandirse significativamente para equilibrar la pequeña cantidad de movimiento del tallo).
6. Posicionador digital de válvulas
Recordemos que el propósito de un posicionador de válvula es asegurar que la posición de una válvula mecánica siempre coincida con la señal comandada.el posicionador de la válvula en sí es en realidad un sistema de control de circuito cerrado: la aplicación de la mayor o menor presión posible sobre el actuador para alcanzar siempre la posición del tallo ordenada.y otros componentes físicos para lograr este control de circuito cerrado.
Los posicionadores digitales de válvulas (como el modelo Fisher DVC6000) utilizan sensores electrónicos para detectar la posición del tallo,un microprocesador para comparar la posición del tallo detectado con una señal de control mediante restación matemática (error = posición - señal)A continuación se muestra un esquema simplificado de un posicionador de válvula digital común:
Como pueden ver en el diagrama, la estructura interna de un posicionador de válvula digital es muy compleja.pero dos algoritmos de control que trabajan en conjunto para mantener la posición correcta de la válvula: se supervisa y controla la presión aplicada al actuador (compensando las variaciones de la presión de alimentación que pueden afectar a la posición de la válvula),y el otro monitorea y controla la posición del tallo de la válvula misma, enviando señales de control en cascada al conjunto de control de presión.
Una señal de comando (de un controlador de circuito de proceso, PLC u otro sistema de control) le dice al posicionador la posición del tallo de la válvula.El primer controlador (PI) dentro del posicionador calcula la presión de aire que el actuador necesita para alcanzar la posición del tallo requeridaEl siguiente controlador (PID) impulsa el convertidor I/P (corriente a presión) según sea necesario para lograr esa presión.los dos controladores dentro del posicionador trabajarán juntos para forzar la válvula a la posición correcta.
No sólo un posicionador de válvula digital proporciona un control de posición superior en comparación con un posicionador de válvula mecánica, but its array of sensors and digital communication capabilities provide a higher level of diagnostic data for maintenance personnel and supervisory control systems (if programmed to monitor and act on that data).
Los datos de diagnóstico proporcionados por el posicionador digital de válvula incluyen:
--Presión de suministro de aire
--Presión del aire del actuador
--Temperatura ambiente
--Error de posición y presión
-Viaje total del tallo (similar a un odómetro de automóvil)
Además, el microprocesador integrado en el posicionador digital de válvulas es capaz de realizar auto-pruebas, auto-calibración,y otros procedimientos de rutina tradicionalmente realizados por técnicos de instrumentos en posicionadores mecánicos de válvulas. The digital valve positioner also captures measurements such as total stem travel to predict when the packing will wear out and automatically sends out maintenance alerts to notify the operator and/or instrument technician when the stem packing needs to be replaced!
7Falta de funcionamiento del sensor de posición de la válvula
Algunos posicionadores de válvulas "inteligentes" controlan la presión del aire del actuador además de la posición del tallo,y por lo tanto tienen una característica útil de mantener cierto grado de control de la válvula en caso de fallo del sensor de posición del talloSi el microprocesador detecta un fallo de la señal de retroalimentación de posición (fuera del rango), se puede programar para continuar el funcionamiento de la válvula basándose únicamente en la presión:
Es decir, la presión del aire en el actuador de la válvula se ajusta en función de la función presión/posición registrada en el pasado.ya no funciona estrictamente como un posicionador, pero puede seguir funcionando como un refuerzo (en comparación con el caudal de un I/P típico) y proporcionar un control sensato de la válvula,Considerando que cualquier otro posicionador de válvula (no inteligente) en realidad empeorará la situación cuando pierda la retroalimentación de la posición del tallo.
Con cualquier posicionador puramente mecánico, si el enlace de retroalimentación de la posición del tallo se desaloja, la válvula de control generalmente se "saturará" y se abrirá completamente o se cerrará por completo.Este no es el caso de los mejores posicionadores inteligentes.!
8Presión del actuador y posición del tallo
Probablemente los datos de diagnóstico más importantes proporcionados por un posicionador digital de válvulas es la comparación de la presión del actuador con la posición del tallo, generalmente representada gráficamente.La presión del actuador es un reflejo directo de la fuerza aplicada al tallo por el actuador, ya que la relación entre la fuerza del pistón o del diafragma y la presión es simplemente F = PA, donde el área (A) es una constante.la comparación de la presión del aire del actuador a la posición del tallo es en realidad una expresión de la fuerza y la posición de la válvulaEsta denominada caracterización de válvulas es muy útil para identificar y corregir problemas tales como la fricción excesiva del embalaje, la interferencia con los componentes internos de la válvula y los problemas de ajuste de la bobina/el asiento.
Aquí se muestra una captura de pantalla que muestra ¢valve caracterización ¢ (tomada del producto de software de Emerson ValveLink,parte de su conjunto de AMS) del comportamiento de una válvula de control directa de Fisher E-body abierta al aire:
Este gráfico muestra dos gráficos de la presión del actuador frente a la posición del tallo, uno en rojo y otro en azul.
El gráfico rojo muestra la respuesta de la válvula en la dirección abierta, cuando la válvula está abierta (hacia arriba), se requiere una presión adicional para superar la fricción del embalaje.
El gráfico azul muestra la válvula cerrada, con menos presión ahora aplicada al diafragma para permitir que la compresión del muelle supere la fricción de embalaje a medida que la válvula se cierra (abajo) para descansar.
Los giros bruscos en los extremos de este diagrama muestran la posición en la que el tallo de la válvula alcanza su posición final y no puede moverse más a pesar de nuevos cambios en la presión del actuador.
Según la ley de Hooke, que describe el comportamiento de los resortes de válvulas, cada gráfico es más o menos lineal,con la fuerza ejercida sobre el resorte siendo proporcional al desplazamiento (compresión) de dicho resorte: F=kx. Cualquier desviación de las gráficas lineales individuales indica que existen fuerzas distintas de la compresión del muelle y la presión del aire que actúan sobre el tallo.Esta es la razón por la que vemos un desplazamiento vertical en las dos parcelas: la fricción de embalaje es otra fuerza que actúa sobre el tallo, además de la compresión del muelle y la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma del actuador.La magnitud de este desplazamiento es relativamente pequeña, y su consistencia indica que la fricción de embalaje es "saludable" en esta válvula.
La caída brusca en el extremo izquierdo del gráfico donde el tapón de la válvula entra en contacto con el asiento de la válvula se denomina perfil del asiento.El perfil del asiento se encuentra al final del gráfico donde la válvula está cerrada y contiene mucha información útil sobre la condición física del tapón de la válvula y el asientoComo estos elementos internos de la válvula se desgastan en una válvula de control, la forma del perfil del asiento cambia.
Los contornos del asiento se pueden examinar en detalle acercando el extremo inferior izquierdo del dibujo de las características de la válvula.La figura siguiente muestra el perfil del asiento de una válvula de control recta de Fisher E-body en su estado intacto.:
Si el personal de mantenimiento de una instalación es lo suficientemente diligente como para registrar las características de las válvulas de control después de su ensamblaje o reconstrucción,las características originales de una válvula de control determinada pueden compararse con las características de la misma válvula de control en cualquier fecha posterior., permitiendo determinar el desgaste sin necesidad de desmontar la válvula para su inspección.
Curiosamente, esta relación entre la presión (fuerza) del actuador y la posición del tallo también se aplica a los posicionadores de válvulas digitales utilizados en algunas válvulas motorizadas modernas.la fuerza aplicada a la válvula está directamente relacionada con la corriente del motor, que puede medirse e interpretarse fácilmente mediante el posicionador digital de válvulas.
Como resultado, el mismo tipo de datos de diagnóstico puede presentarse gráficamente, incluso cuando se utilizan diferentes tecnologías de actuadores, para facilitar el diagnóstico de problemas de válvula.Estos diagnósticos se aplican incluso a las válvulas motorizadas abiertas/cerradas que no se utilizan en el servicio de estrangulación y son particularmente aplicables a las válvulas, válvulas de control de enchufe y recto, donde el compromiso del asiento es importante para el cierre ajustado.
