Leccion_7

Control, InstrumentaciControl, Instrumentacióón e Instalaciones. n e Instalaciones. MMáásterster en Ingenieren Ingenieríía Ambiental. a Ambiental. 149

CONTENIDO

I.- Introducción y conceptos básicos.

II.- La instrumentación en el procesamiento ambiental del agua.

IV.- La actuación en el procesamiento ambiental del agua.

III.- El control de procesos en el procesamiento ambiental del agua.

V.- Instalaciones.


IV.- La actuación en el procesamiento ambiental del agua.

7.1. Introducción: elementos en la etapa final de control.7.2. Conversión de señales.

7.2.1. Conversión i/v.7.2.2. Conversión i/p.

7.3. Actuadores.7.3.1. Eléctricos.7.3.2. Pneumáticos.

7.4. Elementos finales de control.7.4.1. Mecánicos.7.4.2. Válvulas.7.4.3. Bombas. 7.4.4. Aireadores.

7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.



Introducción

Función Transformar la señal procedente del controlador (baja potencia) en un accionamiento (alta potencia) con capacidad para modificar el estado del proceso.

ProcesoEtapa

final de control

Sensor

Modifica el estado del proceso No debe alterar el estado del proceso



Elementos en la etapa final de controlIntroducción

Curtis Johnson: Process Control Instrumentation Technology, 8e. Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Convierte la señal de control en otro tipo (i/v, i/p, …) capaz de gobernar el actuador.

Conversión de señales

Actuador

Elemento final

Sistema que proporciona la energía requerida por el elemento final.

Dispositivo capaz de modificar el estado del proceso.



Elementos en la etapa final de controlIntroducción


Conversión de señales i (4-20 mA) v (50-100 V).

Actuador : Motor (controla la velocidad).

Elemento final: Cinta transportadora.

Ejemplo

Control del proceso de

cocción



Conversión i/v


R = 100 Ωimáx = 20 mAimín = 4 mAVmáx = 10 VVmín = 5 V

)( mínmáx

mínmáx

iiRVV

K−⋅

−=

máxmínmáx

mínmáxmáx V

VViiR

iRV ⋅−−⋅

−⋅=)(

1

K = 3,125

V1 = -1,2 V



Conversión i/p


Curtis Johnson: Process Control Instrumentation Technology, 8e.

Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved.

Los formatos usuales de transmisión de la información analógica son en términos de corriente (bucle 4-20 mA) y de presión (3-15 psi).

• 1 psi ≡ 6,895 kPa.

• 1 atm ≡ 101,3 kPa.

• 1 kPa ≡ 7,5 mmHg.



Conversión i/p



La corriente produce un acercamiento variable del pivote el cual controla la apertura de la boquilla La salida de presión se modula.



Conversión i/p



7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Actuadores

• Una señal eléctrica produce un desplazamiento lineal o angular.Eléctricos

Pneumáticos • Una presión produce una fuerza.• El fluido es compresible (gas, vapor).

Hidraúlicos • Una presión produce una fuerza.• El fluido es incompresible (líquido).

Actuadores


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Actuadoreseléctricos Solenoide


Convierte una señal eléctrica en un desplazamiento lineal.

Al pasar una corriente por la bobina se produce un campo magnético que desplaza la varilla interna.

La varilla puede estar fija a un resorte interno o libre.

Se emplean para la producción de fuerzas instantáneas.

www.woodward.com


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Actuadoreseléctricos Motor DC


Convierte la señal eléctrica en un giro.

La rotación es producida por la interacción conjunta de dos campos magnéticos.

Campo magnético 1 Constante, producido por un imán (estátor).

Campo magnético 2 Variable, producido por la corriente externa sobre las espiras (rotor).

La no alineación de ambos campos produce un par (giro) en las espiras.


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Actuadoreseléctricos

Motor AC


Convierte la señal eléctrica en un giro.

La rotación es producida por la interacción conjunta de dos campos magnéticos.

Campo magnético 1 Variable, producido por un electroimán (estátor, sobre el actúa la señal eléctrica).

Campo magnético 2 Variable en dirección, producido por un imán (rotor).

La no alineación de ambos campos produce un par (giro) en el imán.

pfns

⋅=

120

f : frecuencia de la señal (Hz).p : nº de polos del imán.ns : velocidad de rotación (rpm).



Variador de frecuencia

Sistema electrónico que convierte energía de red (senoidal de 50 Hz) en energía (señales cuadradas ~[3 kHz..20 kHz]).

Permite controlar las revoluciones de giro en los motores de AC.



Motor paso a paso


Convierte la señal eléctrica en giros controlados.

La aplicación de pulsos de tensión sobre los arrollamientos da lugar a campos magnéticos que tienden a alinear el imán (rotor) produciendo un giro controlado.



Motor paso a paso


S2 cambia de C a D ⇒ giro (a) (b)

S1 cambia de A a B ⇒ giro (b) (d)

S2 cambia de D a C ⇒ giro (d) (c)

S1 cambia de B a A ⇒ giro (c) (a)

Más polos en el rotor y en el estátor dan lugar a más posiciones intermedias.


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Actuadorespneumáticos

Directo


Basados en el principio del diafragma.

)( 21 ppAF −⋅=

A: superfície del diafragma (m2).p1-p2 : diferencia de presión a ambos lados de la

superfície (Pa)F : fuerza resultante (N).

La diferencia de presión a ambos lados de la superfíciegenera una fuerza sobre el resorte interno desplazamiento del eje.

Inverso

pkAx ∆⋅=∆

Autoclave Engineers. www.autoclave.com


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Elementosfinales


Muy empleadas en las industrias químicas y petroquímicas.

Su aplicación más importante es el control de caudal.

La posición del vástago acerca el tapón a la abertura variando el caudal de salida.

Válvulas




Válvulas 3 tipos

Con poca apertura el caudal es casi el máximo (30% apertura 90% caudal).

Utilizada en aplicaciones de todo o nada.

El caudal varia linealmente con la posición del vástago.

máxmáx SS

QQ

=Q : caudal (m3/s).S : posición del vástago (m).

Un cambio % en la posición produce el mismo cambio % en el caudal.

En la posición mínima del vástago no se interrumpe el caudal.

mín

máx

QQ

R = máxSS

RQQ mín ⋅=

Aperturarápida

Lineales

Iguales %



Válvulas

Ensamblado


Mediante actuador

pneumático



Válvulas Ejemplo de aplicación


Medida de tª termopar.

Transmisión de tª al controlador bucle 4-20 mA.

Transmisión de la señal al actuador bucle 4-20 mA.

Accionamiento de la válvula bucle 3-15 psi.


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Bombas

Bombas centrífugas

Elemento final utilizado para aumentar la presión sobre un fluido y en consecuencia, hacerlo circular por canalizaciones.

Partes constitutivas fundamentales.Ojo de succión : Orificio central de entrada del fluido.Impulsor : Disco que posee vanos o estrías radiales

por las que circula el fluido despedido hacia su periferia.

Teorema de Bernouilli Mayor velocidad en la periferia del impulsor ⇒ menor presión ⇒ mayor presión en el orificio central ⇒ fluido circulando desde el orificio central hacia el exterior.

gvH⋅

=2

2 H: Alcance de la columna de fluido saliente (m).v: velocidad en la periferia del impulsor (m/s).g : Intensidad del campo gravitatorio (m/s2).

Mukesh Sahdev, Associate Content Writer: “Centrifugal Pumps: Basics Concepts of Operation, Maintenance, and Troubleshooting”, Part I. The Chemical Engineers’ Resource Page, www.cheresources.comCurtis .



Bombas centrífugas

Eje Transmite el par de fuerza al impulsor para generar la succión del fluido.Ha de ser accionado mediante un motor.Soportan caudales con sólidos en suspensión.

Mukesh Sahdev, Associate Content Writer: “Centrifugal Pumps: Basics Concepts of Operation, Maintenance, and Troubleshooting”, Part I. The Chemical Engineers’ Resource Page, www.cheresources.comCurtis .



Bombas centrífugas

www.gardnerdenver.com



Bombas de desplazamiento

Elemento final que moviliza de forma periódica un volumen fijo de fluido.

Partes constitutivas fundamentales.Cilindro : Cavidad en la que se aloja el

volumen de fluido a circular.Pistón: Parte móvil solidaria con un actuador

externo que se introduce y se retira periódicamente en el cilindro.

Válvula de entrada : Permite la entrada del fluido en el cilindro al retirarse el pistón.

Válvula de salida : Permite la salida del fluido del cilindro al introducirse el pistón en este.

Por su propia construcción no admiten fluidos con sólidos en suspensión.

Válvula de salida

Válvula de entrada

Cilindro

Pistón




Pistón pequeño

Pistón grande

Configuración utilizada para prevenir el flujo pulsado.

Cuando el pistón grande rellena, el pequeño vacía pasando parte del fluido al grande.

Cuando el pistón pequeño rellena el grande vacía pasando parte del fluido a aquel y al exterior.

En tándem

En paralelo

Se emplea para aumentar el caudal bombeado.Las bombas actúan en contrafase.Reduce el perfil pulsante del flujo.




http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/PUMPS/reciprocating.html


Un rotor contrae y libera al mismo tiempo un conducto flexible haciendo que su contenido avance(sistema peristáltico).

http://www.ragazzini.it


Bombas peristálticas

Ventajas:

Ningún contacto del producto con el órgano bombeante.

Reversibilidad del flujo sin variación de caudal.

Idoneidad para el bombeo de productos con cuerpos sólidos en suspensión hasta el 40% del diámetro interno.

Posibilidad de trasiego de productos frágiles o contaminantes.


7.- Elementos finales de control: la etapa de actuación.Aireadores

Encargados de producir un intercambio de gas (oxígeno) de fase gaseosa a fase líquida.

www.aeration101.com


Referencias

[1] Johnson, C.: “Process Control Instrumentation Technology”, Prentice Hall, NJ, 2005. ISBN: 0131976699.

[2] Mukesh Sahdev, (Associate Content Writer): “Centrifugal Pumps: Basics Concepts of Operation, Maintenance, and Troubleshooting”, Part I. The Chemical Engineers’ Resource Page, www.cheresources.comCurtis .


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