Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL : CONVERTIDORES I/P DE CORRIENTE A PRESIÓN

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. El convertidor se monta generalmente en un lugar donde pueda ser reparado fácilmente y la válvula se monta generalmente en la cañería.

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 convertidor  I / P proporciona un medio fiable, repetible y preciso de conversión de una señal eléctrica en una presión neumática en muchos sistemas de control. Los modelos de este dispositivo están generalmente disponibles en acción directa e inversa y son seleccionables en campo con entradas de rango completo o dividido o de salida según sea el caso. 

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 dispositivo puede montarse en la pared,  sobre un soporte de tubo o directamente sobre el actuador de la válvula. Cuando el dispositivo puede soportar vibraciones, éste se monta directamente sobre el actuador de la válvula. En muchos casos, el dispositivo está montado de forma remota sobre soportes de instrumentos en cañerías para reducir las vibraciones.

Temas relacionados : Válvulas y posicionadores

Figura: Ejemplos de convertidores I/P y P/I

Un  transductor  "corriente a presión" (I / P) convierte una señal analógica (4 a 20 mA) a una salida neumática proporcional lineal (3 a 15 psi). 

La señal eléctrica proporcional es generalmente una señal de corriente de 4-20 mA, y la señal de presión de aire se fija generalmente en 3-15 psi. Este tipo de convertidor de señal se llama un convertidor de I / P, ya que cambia una señal de corriente (I) a una señal de presión (P).

La figura 1 muestra un ejemplo de un convertidor de I / P. En el funcionamiento de este tipo de convertidor de I / P se utiliza una bobina magnética para cambiar la posición de una barra en equilibrio que controla una pequeña cantidad de presión de aire piloto.

La presión de aire piloto controla la presión de aire principal que está regulada a 3-15 psi. El suministro de aire para el convertidor de I / P debe ser de aproximadamente 20 psi para que el convertidor pueda controlar la presión entre 3-15 psi.

Figura 1. Arriba:: Convertidor (I / P) de corriente a presión marca Foxboro. Este dispositivo tiene un manómetro para indicar el suministro de aire, y otro manómetro para indicar la presión regulada.

La figura 2 proporciona una gráfica que muestra la relación de corriente a presión de aire. Este gráfico permite seleccionar un valor de la señal en miliamperios y determinar la cantidad de presión de aire que el convertidor de I / P debe producir. Por ejemplo, cuando la señal eléctrica está en su mínimo (4 mA), la señal de presión de aire también estará en su mínimo (3 psi). Cuando la señal eléctrica está en su máximo (20 mA), la señal de presión de aire estará en su máximo (15 psi). El valor del punto medio de la señal eléctrica es de 12 mA, que proporciona 9 psi.

Arriba: Figura 2: Un gráfico de la señal de miliamperios y la señal de presión de aire para un convertidor de I / P.

La señal eléctrica para el convertidor de I / P se origina a partir de un amplificador. El amplificador recibe una señal de entrada de un controlador programable u otro tipo de controlador electrónico. La señal es generalmente analógica, pero podría ser una señal digital que se envíe a través de un convertidor de digital a analógico (D / A) antes de ser enviada al amplificador. Muchos de los nuevos sistemas controlados por microprocesador también son capaces de proporcionar la señal analógica en miliamperios.

Principio de funcionamiento

El convertidor  I / P utiliza un principio de fuerzas en equilibrio electromagnético para cambiar las señales eléctricas en señales neumáticas. Típicamente, una entrada de 4 - 20 mA se convierte en una salida de 3-15 pis. El principio de funcionamiento del transductor I / P se muestra a continuación:

Como se muestra en el diagrama, una bobina produce el campo magnético. Dentro de la bobina hay un motor deflector con una válvula de charnela ( también puede interpretarse como un balancín) conectada que funciona en contra de una boquilla de precisión para crear una contrapresión en el diafragma servo de un relé de refuerzo. La corriente de entrada circula en la bobina y produce una fuerza entre la bobina y el balancín, que controla la presión de servo y la presión de salida.

El ajuste del punto cero de este dispositivo se realiza girando un tornillo que regula la distancia entre la válvula de charnela y la boquilla de aire. El ajuste de sensibilidad se realiza mediante la variación de un potenciómetro, que deriva la corriente de entrada hacia la bobina. La señal de salida de un transductor I / P cae fácilmente a presión de pérdida en caso de fallo de la señal eléctrica. Esto hace que sea fácil de detectar la señal de fallo eléctrico en el dispositivo.

Calibración de transductores (I / P) de corriente a presión, posicionadores de válvulas y válvulas de control.

Los instrumentos de medición de temperatura, presión, nivel, flujo y todo tipo de parámetros de proceso y producen una señal de indicación o de entrada del controlador.

Si usted desea controlar un parámetro de proceso, la salida del controlador debe convertirse a una señal que se pueda traducir y, posteriormente, controlar una válvula de control. La válvula de control es un elemento de control final. Un elemento de control final es cualquier dispositivo o elemento que cambia el valor de una variable manipulada. Las válvulas y los calentadores son ejemplos comunes. Veamos las válvulas de control y los dispositivos que procesan la señal suministrada a la válvula de control.

 

Lograr lo programado

En esta ilustración usted puede ver que la salida del controlador envía una señal electrónica al transductor de corriente a presión (I / P), que a su vez envía una señal neumática a la válvula de control.

La válvula de control cambia de posición en respuesta a la señal para ajustar el caudal al valor de consigna (setpoint). A medida que el flujo cambia, éste es detectado por el transmisor de flujo. Mientras el flujo detectado sea igual al valor de consigna, la posición de la válvula seguirá siendo la misma. Cada vez que hay una perturbación del sistema o un cambio en el valor de consigna, el lazo de control de flujo responde automáticamente para alcanzar el valor de consigna programado. Un diagrama en bloques de este concepto está aquí.

El elemento final de control puede ser un control proporcional o control ON-OFF ( o sea abre-cierra ). Para control ON-OFF, un relé de salida del controlador cambia el estado del contacto del relé, que completa el circuito de una válvula de solenoide a energizar. La válvula solenoide se abre para permitir que el aire abra (o cierre) una válvula de control.

El primer componente en el subsistema de control final es el acondicionador de señal. El acondicionador de señal amplifica y, si es necesario, convierte la señal para obtener la compatibilidad con el actuador.

Los accesorios típicos utilizados como acondicionadores de señal incluyen transductores de corriente a neumáticos, transductores de corriente a voltaje (I / E), amplificadores (electrónicos o neumáticos), relés, convertidores de señal digital a analógica o convertidores analógico-digitales. El acondicionador de señal más común en un lazo de control proporcional es un transductor I / P.

Un típico transductor I / P es un dispositivo de equilibrio de fuerzas en el cual una bobina se suspende y cuelga en el campo de un imán. La corriente que fluye a través de la bobina genera el movimiento axial de la misma, lo que provoca el movimiento del balancín. El balancín controla la contrapresión contra la boquilla mediante el control de la restricción del flujo de aire a través de la boquilla. Esta contrapresión actúa como una presión piloto para controlar la presión de salida.

El ajuste de cero hace que el balancín se mueva con relación a la boquilla. El ajuste de sensibilidad (span) es un potenciómetro que limita la corriente a través de la bobina. El transductor I / P debe ser alimentado con aire de instrumentos dentro del rango especificado por el fabricante, por lo general al menos 20 psig.

El típico transductor I / P se calibra para una entrada de 4-20 mA = salida de 3-15 psig. La mayoría de transductores I / P pueden ser configurados para la acción directa (presión de salida que aumenta a medida que aumenta la señal de entrada) o acción inversa (presión de salida que disminuye a medida que aumenta la señal de entrada).

Funcionamiento mecánico a la válvula

El siguiente componente del subsistema de control final, si es aplicable, es el actuador. El actuador recibe la señal acondicionada y la cambia a alguna forma de energía mecánica o movimiento.

Los accesorios típicos utilizados como actuadores incluyen solenoides, posicionadores de válvulas neumáticas, motores AC y DC, motores paso a paso, motores hidráulicos y pistones hidráulicos. Muchas válvulas de control incluyen un posicionador de válvula neumática.

Un posicionador de válvula es un dispositivo que se utiliza para aumentar o disminuir la presión de aire (desde el I / P) para hacer funcionar el actuador de la válvula de control. Los posicionadores generalmente se montan sobre el actuador de la válvula de control y se conectan mecánicamente al vástago de la válvula para la indicación de posición.

Un posicionador es un tipo de relé de aire, que actúa para superar la histéresis, la fricción de la caja de empaquetadura, y los efectos de la caída de presión a través de la válvula. El mismo asegura el posicionamiento exacto del vástago de la válvula y proporciona un control más preciso. Hay muchos tipos de posicionadores. Los principios básicos de operación son similares para todos los tipos.

La presión del instrumento (de un I / P, por ejemplo) actúa sobre el módulo de entrada, que controla el sistema de charnela-boquilla del relé. La presión de alimentación se aplica al relé y la presión de salida del relé va al actuador de la válvula de control.

La mayoría de los posicionadores se pueden instalar y funcionan por acción directa o inversa. Para un posicionador de acción directa, el aumento de la presión del instrumento hace que el módulo de entrada haga girar el balancín. El balancín gira la charnela y restringe la boquilla. La presión de la boquilla aumenta y hace que el conjunto de relé  aumente la presión de salida al actuador.

Con un actuador de acción directa, el aumento de la presión mueve el vástago del actuador hacia abajo. El posicionador se conecta mecánicamente al vástago de la válvula. El movimiento del vástago se alimenta de nuevo al balancín por medio de una varilla de realimentación y el resorte de rango, lo que hace que la aleta de descarga o charnela pivote ligeramente fuera de la boquilla para evitar un incremento adicional de la presión de salida del relé.

Tenga en cuenta que algunos posicionadores aceptan una entrada de miliamperios e incluyen un transductor I / P integral.

El último componente en el subsistema de control final es el elemento final de control, que puede ser una válvula de control (Otros elementos finales de control incluyen las válvulas servo, calefactores, transportadores sinfín, alimentadores tipo hélice, y las puertas de tolva.).

 

 

 

 

 

 


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