El posicionador de válvula (controlador de válvula) es un dispositivo utilizado para controlar y regular con precisión la posición de una válvula de control. Al recibir señales de entrada del controlador, 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 los rangos predeterminados. Los posicionadores juegan un papel clave en la automatización industrial y el control de procesos, y se utilizan ampliamente en las industrias del petróleo y el gas, la química, la farmacéutica, el tratamiento de aguas y otras industrias.
La posición del vástago de una válvula de control neumática está linealmente relacionada con la presión de 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 el área del pistón/diafragma (F=PA), y el resorte, a su vez, se comprime o estira, produciendo una fuerza de reacción igual y opuesta. El resultado final es que la presión del actuador se traduce linealmente en el movimiento del vástago (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 vástago solo es válida si, y solo si, el diafragma/pistón y el resorte de accionamiento son las únicas fuerzas que actúan sobre el vástago. Si alguna otra fuerza actúa sobre el mecanismo, la relación entre la presión de la señal y la posición del vástago ya no será ideal.
Desafortunadamente, hay muchas otras fuerzas que actúan sobre el vástago además de las fuerzas del actuador y las fuerzas de reacción del resorte. La fricción del empaquetamiento del vástago es una de estas fuerzas, y la fuerza de reacción en el carrete causada por la presión diferencial en el área del carrete es otra. Estas fuerzas se combinan para reposicionar el vástago de modo que el recorrido del vástago 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 la válvula de control. Un posicionador de válvula es un dispositivo de control de movimiento diseñado para comparar activamente la posición del vástago con una señal de control y ajustar la presión del diafragma o pistón del actuador hasta que se logre la posición correcta del vástago:
El posicionador de válvula en sí es básicamente un sistema de control: la posición del vástago de la válvula es la variable del 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 salida. Por lo tanto, cuando el controlador del proceso envía una señal de comando a la válvula equipada con un posicionador, el posicionador recibe esa señal de comando y aplica la presión de aire necesaria al actuador para lograr la posición deseada del vástago. Por lo tanto, el posicionador “luchará" contra cualquier otra fuerza que actúe sobre el vástago de la válvula para lograr un posicionamiento claro y preciso del vástago de acuerdo con la señal de comando. Un posicionador que funcione correctamente asegura que la válvula de control “comporte" según la señal de comando.
2. Ejemplo de posicionador de válvula neumática
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 vástago que se conecta a un brazo que se extiende desde el costado del posicionador. Cada posicionador de válvula de control debe estar equipado con algún medio para detectar la posición del vástago, de lo contrario, el posicionador no podría comparar la posición del vástago con la señal de comando.
En la siguiente foto aparece un posicionador más moderno, el Fisher DVC6200 (de nuevo en una caja gris con un manómetro en el lado derecho):
Al igual que el posicionador Modelo 3582 anterior, este DVC6000 utiliza un enlace de retroalimentación en el lado izquierdo para detectar la posición del vástago de la válvula. El nuevo DVC6200 utiliza un sensor magnético de efecto Hall para detectar la posición de un imán atornillado al vástago. Este diseño de retroalimentación de posición no mecánico elimina la holgura, el desgaste, la interferencia y otros problemas potenciales asociados con los enlaces mecánicos. Una mejor retroalimentación es fundamental para un mejor posicionamiento de la válvula.
Los posicionadores de válvulas de control se construyen típicamente para generar y descargar altos caudales de aire, por lo que el posicionador también funciona como un amplificador de volumen850. Como resultado, el posicionador no solo asegura un posicionamiento del vástago más preciso, sino también velocidades del vástago más rápidas (menores retardos de tiempo) que los actuadores de válvula que se “alimentan" directamente por el sensor I/P.
3. Válvula en posición
Otra ventaja de agregar un posicionador de válvula a una válvula de control neumática es que la válvula sella (cierra herméticamente) mejor. Esta ventaja no es obvia a primera vista y, por lo tanto, requiere alguna explicación.
Primero, debe entenderse que en una válvula de control, el contacto entre el carrete y el asiento por sí solo no es suficiente para asegurar un cierre hermético. En cambio,, el carrete debe presionarse con fuerza contra el asiento para cerrar completamente todo el flujo a través de la válvula. Cualquiera que alguna vez haya apretado el mango de un grifo con fugas (boquilla de jardín) entiende este principio intuitivamente: se requiere una cierta cantidad de fuerza de contacto entre el tapón y el asiento para deformar ligeramente las dos partes, lo que resulta en un ajuste perfecto a prueba de fluidos. El término técnico para este requisito mecánico es carga del asiento.
Imagine una válvula de control de apertura neumática de paso directo accionada por diafragma con un ajuste de banco de 3 a 15 Psi. A una presión del actuador de 3 Psi, el diafragma genera la fuerza justa para superar la precarga del resorte del actuador, pero no lo suficiente para mover el carrete fuera del asiento.
En otras palabras, a una presión de diafragma de 3 Psi, el carrete entrará en contacto con el asiento, pero habrá poca fuerza para proporcionar un sello de cierre hermético. Si esta válvula de control se alimenta directamente desde un sensor I/P calibrado de 3 a 15 Psi, esto significa que la válvula apenas se cerrará al 0% del valor de la señal (3 Psi), en lugar de cerrarse herméticamente. Para que el carrete esté completamente asentado para un sellado hermético, se debe eliminar toda la presión de aire del diafragma para asegurar que no haya fuerza del diafragma contra el resorte. Esto 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 del I/P y la utiliza como un comando (punto de ajuste) para la posición del vástago, aplicando la presión necesaria al diafragma para lograr la posición deseada del vástago. La forma correcta de calibrar el posicionador es que el vástago comience a levantarse solo cuando la señal haya subido a un poco más del 0%, lo que significa que al 0% (4 mA) el posicionador intentará forzar la válvula a una posición del vástago ligeramente negativa. Al intentar lograr este requisito imposible, la salida del posicionador alcanzará una baja saturación, sin ejercer presión sobre el diafragma de accionamiento, lo que resultará en que el vástago de la válvula ejerza toda su fuerza de resorte sobre el asiento de la válvula. En el siguiente gráfico se muestra una comparación de los dos escenarios:
Si bien los posicionadores son útiles para los actuadores de válvula equipados con resorte, son absolutamente esenciales para ciertos otros tipos de actuadores. Considere el siguiente actuador de pistón neumático de doble efecto sin resortes:
Sin un resorte que proporcione una fuerza de restricción para devolver la válvula a la posición “segura contra fallas", no existe una relación de la Ley de Hooke entre la presión de aire aplicada y la posición del vástago. El posicionador debe aplicar alternativamente presión de aire a ambas superficies del pistón para subir y bajar el vástago.
Los actuadores de válvulas de control motorizados son otro diseño de actuador que requiere absolutamente alguna forma de sistema de posicionador porque la unidad motorizada no puede “sentir" la posición de su propio eje para mover la válvula de control con precisión. Por lo tanto, se requiere un circuito de posicionador que utilice un potenciómetro o un transductor LVDT/RVDT para detectar la posición del vástago de la válvula y un conjunto de salidas de transistores para accionar el motor para permitir que el actuador eléctrico responda a las señales de control analógicas.
4. Posicionador neumático de equilibrio de fuerzas
A continuación se muestra un diseño de posicionador de válvula neumática de equilibrio de fuerzas simple:
La señal de control para esta válvula es una señal neumática de 3 a 15 Psi de un sensor I/P o un controlador neumático (ninguno de los cuales se muestra en el diagrama). Esta presión de la señal de control ejerce una fuerza ascendente sobre la viga de fuerza, lo que hace que el deflector intente acercarse a la boquilla. El aumento de la contrapresión en la boquilla hace que el relé de amplificación neumática emita más presión de aire al actuador de la válvula, lo que a su vez levanta el vástago de la válvula (abre la válvula). A medida que el vástago de la válvula se levanta, el resorte que conecta el actuador al vástago de la válvula se estira más, aplicando fuerza adicional al lado derecho del actuador. Cuando esta fuerza adicional se equilibra con la fuerza del fuelle, el sistema se estabiliza en un nuevo punto de equilibrio.
Como con todos los sistemas de equilibrio de fuerzas, el movimiento de la varilla de empuje está limitado por la fuerza de equilibrio, por lo que su movimiento es insignificante en la práctica. En última instancia, el equilibrio se logra equilibrando una fuerza con otra, como dos equipos de personas tirando de una cuerda: siempre que las fuerzas de los dos equipos sean iguales en magnitud y opuestas en dirección, la cuerda no se desviará de su posición original.
El diagrama a continuación muestra el posicionador de equilibrio de fuerzas PMV 1500 para posicionar un actuador de válvula rotativa con la cubierta puesta (arriba) y debajo (abajo):
Una señal de control neumática de 3 a 15 Psi entra en el fuelle y empuja hacia abajo la viga de fuerza horizontal (negra). El conjunto de la válvula piloto neumática en el lado izquierdo de la viga de fuerza detecta cualquier movimiento y aumenta la presión de aire al diafragma de accionamiento de la válvula si se detecta algún movimiento hacia abajo, y libera la presión de aire al actuador si se detecta algún movimiento hacia arriba:
Cuando el aire comprimido entra en el actuador de la válvula a través del conjunto de la válvula piloto, la válvula rotativa comenzará a girar en la dirección de apertura. El movimiento rotatorio del eje se convierte en movimiento lineal dentro del posicionador por medio de una leva: la leva es un disco con un radio irregular diseñado para producir un desplazamiento lineal a partir de un desplazamiento angular:
Un seguidor de rodillo ubicado en el extremo de la viga de color dorado se mueve a lo largo de la circunferencia de la leva. El movimiento de la leva se convierte en una fuerza de carrera recta mediante la compresión del resorte helicoidal directamente contra la fuerza del fuelle neumático en la viga de fuerza. Cuando el movimiento de la leva es suficiente para comprimir el resorte lo suficiente como para contrarrestar la fuerza adicional generada por el fuelle neumático, la viga de fuerza regresa a la posición de equilibrio (muy cerca de la posición de inicio) y la válvula deja de moverse.
Si observa detenidamente la última foto, verá el tornillo de puesta a cero del posicionador: una varilla roscada que se extiende por debajo de la viga de color dorado. Este tornillo ajusta la compresión del resorte de polarización para que la unidad del posicionador “piense" que la leva está en una posición diferente. Por ejemplo, girar esta varilla roscada en el sentido de las agujas del reloj (visto desde el extremo ranurado del acoplamiento del destornillador) comprime el resorte aún más, empujando la varilla más oscura hacia arriba con más fuerza, logrando el mismo efecto que una ligera rotación en sentido contrario a las agujas del reloj de la leva. Esto hace que el posicionador actúe y gire la leva en el sentido de las agujas del reloj para compensar, acercándola a la posición del vástago del 0%.
Aunque la leva y el seguidor en este mecanismo del posicionador en realidad se mueven en respuesta al movimiento del vástago, todavía se puede considerar como un mecanismo de equilibrio de fuerzas, ya que el travesaño unido a la válvula piloto no se mueve apreciablemente. Al equilibrar las fuerzas en la viga, la válvula piloto siempre está en la posición equilibrada.
5. Posicionador neumático de equilibrio dinámico
También existen diseños de posicionadores de válvulas neumáticas de equilibrio de movimiento, donde el movimiento del vástago de la válvula contrarresta el movimiento (no la fuerza) de otro elemento. El siguiente diagrama de corte muestra cómo funciona un posicionador de equilibrio de movimiento simple:
En este mecanismo, un aumento en la presión de la señal hace que la viga avance hacia la boquilla, lo que resulta en una mayor contrapresión de la boquilla, lo que a su vez hace que el relé de amplificación neumática entregue más presión de aire al actuador de la válvula. A medida que el vástago de la válvula se levanta, el movimiento ascendente del extremo derecho de la viga compensa el avance anterior de la viga hacia la boquilla. Cuando se alcanza el equilibrio, la viga estará en una posición inclinada donde el movimiento del fuelle se equilibra con el movimiento del vástago.
La siguiente fotografía muestra una vista de primer plano del mecanismo del posicionador de equilibrio neumático FISHER Modelo 3582:
En el corazón del mecanismo hay un anillo metálico en forma de D que traduce el movimiento del fuelle y el movimiento del vástago en movimiento del deflector. A medida que aumenta la presión de la señal neumática, el fuelle (ubicado debajo de la esquina superior derecha del anillo en D) se expande, lo que hace que la viga se balancee a lo largo de su eje vertical. Cuando el posicionador está configurado para la operación de acción directa, este movimiento de balanceo empuja el deflector más cerca de la boquilla, lo que aumenta la contrapresión y entrega más aire comprimido al actuador de la válvula:
A medida que el vástago se mueve, la palanca de retroalimentación gira la leva en la parte inferior del anillo en D. El “seguidor" de rodillo en esta leva traduce el movimiento del vástago de la válvula en otro movimiento de balanceo en la viga, esta vez a lo largo del eje horizontal. Dependiendo de cómo se fije la leva al eje de retroalimentación, este movimiento puede hacer que la aleta de la válvula se balancee más lejos de la boquilla o más cerca de ella. La dirección de la leva debe elegirse para que coincida con la acción del actuador: directa (el aire extiende el vástago de la válvula) o inversa (el aire retrae el vástago de la válvula).
El mecanismo del anillo en D es bastante ingenioso, ya que permite un fácil ajuste del alcance ajustando el ángulo del conjunto del deflector (tope) en varios puntos a lo largo de la circunferencia del anillo. Si el conjunto del deflector se establece cerca de la horizontal, será más sensible al movimiento del fuelle y menos sensible al movimiento del vástago, lo que obligará a la válvula a moverse más para igualar el pequeño movimiento del fuelle (longitud de carrera larga). Por el contrario, si el conjunto de la válvula se establece cerca de la vertical, será máximamente sensible al movimiento del vástago y mínimamente sensible al movimiento del fuelle, lo que resultará en una carrera de válvula muy pequeña (es decir, el fuelle deberá expandirse significativamente para equilibrar la pequeña cantidad de movimiento del vástago).
6. Posicionador de válvula digital
Recuerde que el propósito de un posicionador de válvula es asegurar que la posición de una válvula mecánica siempre coincida con la señal comandada. Por lo tanto, el posicionador de válvula en sí es en realidad un sistema de control de bucle cerrado: aplicando la mayor o menor presión posible al actuador para alcanzar siempre la posición del vástago comandada. Los posicionadores de válvulas mecánicos utilizan palancas, levas y otros componentes físicos para lograr este control de bucle cerrado.
Los posicionadores de válvulas digitales (como el modelo Fisher DVC6000) utilizan sensores electrónicos para detectar la posición del vástago, un microprocesador para comparar la posición del vástago detectada con una señal de control mediante sustracción matemática (error = posición - señal) y luego un convertidor y relé de señal neumática para enviar presión de aire al actuador de la válvula. A continuación se muestra un esquema simplificado de un posicionador de válvula digital común:
Como puede ver en el diagrama, la estructura interna de un posicionador de válvula digital es muy compleja. No solo tenemos un algoritmo de control, sino dos algoritmos de control que trabajan en tándem para mantener la posición correcta de la válvula: uno monitorea y controla la presión aplicada al actuador (compensando las variaciones en la presión de suministro que pueden afectar la posición de la válvula), y el otro monitorea y controla la posición del vástago de la válvula en sí, enviando señales de control en cascada al conjunto de control de presión.
Una señal de comando (de un controlador de bucle de proceso, PLC u otro sistema de control) le indica al posicionador la posición del vástago de la válvula. El primer controlador (PI) dentro del posicionador calcula cuánta presión de aire necesita el actuador para alcanzar la posición requerida del vástago. El siguiente controlador (PID) acciona el convertidor I/P (corriente a presión) según sea necesario para lograr esa presión. Si por alguna razón el vástago no está en la posición comandada, los dos controladores dentro del posicionador trabajarán juntos para forzar la válvula a la posición correcta.
Un posicionador de válvula digital no solo proporciona un control de posición superior en comparación con un posicionador de válvula mecánico, sino que su conjunto de sensores y capacidades de comunicación digital proporciona un mayor nivel de datos de diagnóstico para el personal de mantenimiento y los sistemas de control de supervisión (si están programados para monitorear y actuar sobre esos datos).
Los datos de diagnóstico proporcionados por el posicionador de válvula digital incluyen:
--Presión de suministro de aire
--Presión de aire del actuador
--Temperatura ambiente
--Error de posición y presión
-Recorrido total del vástago (similar a un odómetro de automóvil)
Además, el microprocesador integrado en el posicionador de válvula digital es capaz de realizar autocomprobaciones, autocalibración y otros procedimientos de rutina tradicionalmente realizados por técnicos de instrumentos en posicionadores de válvulas mecánicos. ¡El posicionador de válvula digital también captura mediciones como el recorrido total del vástago para predecir cuándo se desgastará el empaquetamiento y envía automáticamente alertas de mantenimiento para notificar al operador y/o al técnico de instrumentos cuándo es necesario reemplazar el empaquetamiento del vástago!
7. Mal funcionamiento del sensor de posición de la válvula
Algunos posicionadores de válvula “inteligentes" monitorean la presión de aire del actuador además de la posición del vástago y, por lo tanto, tienen una característica útil de mantener cierto grado de control de la válvula en caso de una falla del sensor de posición del vástago. Si el microprocesador detecta una falla de la señal de retroalimentación de posición (fuera de rango), se puede programar para que continúe operando la válvula basándose solo en la presión:
Es decir, la presión de aire al actuador de la válvula se ajusta en función de la función de presión/posición registrada en el pasado. Dado que no puede detectar la posición del vástago, ya no funciona estrictamente como un posicionador, pero aún puede funcionar como un amplificador (en comparación con el caudal de un I/P típico) y proporcionar un control sensato de la válvula, mientras que cualquier otro posicionador de válvula (no inteligente) en realidad empeorará la situación cuando pierda la retroalimentación de la posición del vástago.
Con cualquier posicionador puramente mecánico, si el enlace de retroalimentación de la posición del vástago se desprende, la válvula de control generalmente se “saturará" y se abrirá o cerrará por completo. ¡Este no es el caso de los mejores posicionadores “inteligentes"!
8. Presión del actuador y posición del vástago
Probablemente los datos de diagnóstico más importantes proporcionados por un posicionador de válvula digital es la comparación de la presión del actuador con la posición del vástago, generalmente representada gráficamente. La presión del actuador es un reflejo directo de la fuerza aplicada al vástago por el actuador, ya que la relación entre la fuerza del pistón o diafragma y la presión es simplemente F=PA, donde el área (A) es una constante. Por lo tanto, la comparación de la presión de aire del actuador con la posición del vástago es en realidad una expresión de la fuerza y la posición de la válvula. Esta llamada caracterización de la válvula es muy útil para identificar y corregir problemas como la fricción excesiva del empaquetamiento, la interferencia con los componentes internos de la válvula y los problemas de ajuste del carrete/asiento.
Aquí se muestra una captura de pantalla que muestra la “caracterización de la válvula" (tomada del producto de software ValveLink de Emerson, parte de su suite AMS) del comportamiento de una válvula de control de paso directo Fisher E-body abierta por aire:
Este gráfico muestra dos trazados de la presión del actuador frente a la posición del vástago, uno en rojo y otro en azul.
El gráfico rojo muestra la respuesta de la válvula en la dirección de apertura, cuando la válvula está abierta (arriba), se requiere presión adicional para superar la fricción del empaquetamiento.
El gráfico azul muestra la válvula cerrada, con menos presión ahora aplicada al diafragma para permitir que la compresión del resorte supere la fricción del empaquetamiento a medida que la válvula se cierra (abajo) para descansar.
Los giros bruscos en los extremos de este diagrama muestran la posición donde el vástago de la válvula alcanza su posición final y no puede moverse más a pesar de los cambios adicionales en la presión del actuador.
Según la Ley de Hooke, que describe el comportamiento de los resortes de las válvulas, cada gráfico es aproximadamente lineal, con la fuerza ejercida sobre el resorte siendo proporcional al desplazamiento (compresión) de ese resorte: F=kx. Cualquier desviación de los gráficos lineales individuales indica que hay fuerzas distintas de la compresión del resorte y la presión del aire que actúan sobre el vástago. Esta es la razón por la que vemos un desplazamiento vertical en los dos trazados: la fricción del empaquetamiento es otra fuerza que actúa sobre el vástago además de la compresión del resorte 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 del empaquetamiento es “saludable" en esta válvula. Cuanto mayor sea la fricción del empaquetamiento experimentada por la válvula, mayor será el desplazamiento vertical de los dos gráficos.
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 llama 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 y el asiento de la válvula. A medida que estos componentes internos de la válvula se desgastan en una válvula de control, la forma del perfil del asiento cambia. Un perfil de asiento irregular puede diagnosticar corrosión del asiento, desgaste o muchas otras condiciones.
Los contornos del asiento se pueden examinar en detalle acercando el extremo inferior izquierdo del dibujo de la característica de la válvula. La siguiente figura muestra el perfil del asiento de una válvula de control de paso directo Fisher E-body en su condición intacta:
Si el personal de mantenimiento de una instalación es lo suficientemente diligente como para registrar las características de la válvula de sus válvulas de control después de que se ensamblan o reconstruyen, las características “originales" de cualquier válvula de control dada se pueden comparar con las características de la misma válvula de control en cualquier fecha posterior, lo que permite determinar el desgaste sin la necesidad de desmontar la válvula para su inspección.
Curiosamente, esta relación entre la presión del actuador (fuerza) y la posición del vástago también se aplica a los posicionadores de válvulas digitales utilizados en algunas válvulas motorizadas modernas. Con los actuadores motorizados, la fuerza aplicada al vástago de la válvula está directamente relacionada con la corriente del motor, que puede medirse e interpretarse fácilmente mediante el posicionador de válvula digital.
Como resultado, el mismo tipo de datos de diagnóstico se puede presentar gráficamente, incluso cuando se utilizan diferentes tecnologías de actuadores, para facilitar el diagnóstico de problemas de la válvula. Estos diagnósticos se aplican incluso a las válvulas motorizadas de apertura/cierre que no se utilizan en el servicio de estrangulamiento y son particularmente aplicables a las válvulas de control de compuerta, tapón y paso directo, donde el acoplamiento del asiento es importante para un cierre hermético.
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