Amplificadores neumticos de tobera-aleta. La figura contiene un dia-

grama esquemtico de un amplificador neumtico de tobera-aleta. La fuente de potencia

para este amplificador es un suministro de aire a una presin constante. El amplificador de

tobera-aleta convierte los cambios pequeos en la posicin de la aleta en cambios grandes

en la presin trasera de la tobera. Por tanto, una salida de energa grande se controla por

medio de la pequea cantidad de energa necesaria para posicionar la aleta.

En la figura el aire presurizado se alimenta a travs del orificio y se expulsa

de la tobera hacia la aleta. En general, la presin de suministro para tal controlador es de

20 psig (una de 1.4 El dimetro del orificio est en el orden de 0.01

plg (0.25 mm) y el de la tobera est en el orden de 0.016 (0.4 mm). Para asegurar un

funcionamiento adecuado del amplificador, el dimetro de la tobera debe ser ms grande

que el dimetro del orificio.

Al operar este sistema, la aleta se posiciona contra la abertura de la tobera. La presin

trasera de la tobera se controla mediante la distancia X tobera-aleta. Conforme la aleta

se acerca a la tobera, aumenta la oposicin al flujo del aire a travs de la tobera, aumenta

la presin trasera de la tobera. Si la tobera est completamente cerrada por medio de la

aleta, SU presin trasera se vuelve igual a la presin de suministro Si la aleta se aleja

de la tobera, de modo que la distancia tobera-aleta sea amplia (en el orden de 0.01

prcticamente no hay restriccin para el flujo y la presin trasera Pb de la tobera adquiere

un valor mnimo que depende del dispositivo tobera-aleta. (La presin posible ms baja

ser la presin ambienta1

Observe que, debido a que el chorro de aire opone una fuerza contra la aleta, es nece-

sario hacer 10 ms pequeo posible el dimetro de la tobera.

La figura contiene una curva tpica que relaciona la presin trasera Pb de la to-

bera con la distancia X tobera-aleta. La parte con gran inclinacin y casi lineal de la curva

se utiliza en la operacin real del amplificador de tobera-aleta. Debido a que el rango de

los desplazamientos de la aleta est limitado a un valor pequeo, tambin es pequeo el

cambio en la presin de salida, a menos que la curva est muy inclinada.

Entrada

Orificio

Suministrode aire

Tobera

A la

242 Captulo 5 Acciones bsicas de control y respuesta de sistemas de control

de control

Figura 5-26

(a) Diagrama esquemtico del amplificador neumtico de tobera-aleta; (b) curva caractersticaque relaciona la presin trasera de la tobera y la distancia tobera-aleta.

Aleta

El amplificador de tobera-aleta convierte el desplazamiento en una seal de presin.

Dado que los sistemas de control de procesos industriales requieren de una potencia de sali-

da grande para operar vlvulas con actuadores neumticos grandes, por lo general es insu-

ficiente el incremento de potencia del amplificador de tobera-aleta. En consecuencia, un

relevador neumtico funciona por lo general como un amplificador de potencia en la

conexin con el amplificador de tobera-aleta.

Relevadores neumticos. En la prctica, en un controlador neumtico, el amplifi-

cador de tobera-aleta acta como el amplificador de primera etapa y el relevador neu-

mtico como el amplificador de segunda etapa. El relevador neumtico es capaz de manejar

un flujo de aire grande.

La figura contiene un diagrama esquemtico de un relevador neumtico. Con-

forme aumenta la presin trasera de la tobera la vlvula del diafragma se mueve hacia

abajo. La apertura hacia la atmsfera disminuye y la apertura para la vlvula neumtica au-

menta, por lo cual aumenta la presin de control Cuando la vlvula de diafragma cierra

la abertura hacia la atmsfera, la presin de control se vuelve igual a la presin de sumi-

nistro Cuando disminuye la presin trasera de la tobera y la vlvula de diafragma se

mueve hacia arriba y cierra el suministro de aire, la presin de control disminuye hasta

la presin ambiental Por tal razn, se hace que vare la presin de control de 0 psig a

una presin de suministro completa, por lo general de 20 psig.

El movimiento total de la vlvula de diafragma es muy pequeo. En todas las posiciones

de la vlvula, excepto en la posicin que se cierra el suministro de aire, el aire contina es-

capando a la atmsfera, incluso despus de que se obtiene la condicin de equilibrio entre

la presin trasera de la tobera y la presin de control. Por tanto, el de la figura es

un tipo de relevador con escape.

Existe otro tipo de relevador, sin escape. En ste, el escape del aire se detiene cuando

se obtiene la condicin de equilibrio y, por tanto, no hay una prdida de aire presurizado

en una operacin en estado estable. Sin embargo, observe que el relevador sin escape debe

tener un alivio atmosfrico para liberar la presin de control de la vlvula con

neumtico. La figura muestra un diagrama esquemtico de un relevador sin escape.

En cualquier tipo de relevador, el suministro de aire se controla mediante una vlvula,

que a su vez, se controla mediante la presin trasera de la tobera. Por tanto, la presin trasera

de la tobera se convierte en una presin de control con la amplificacin de la potencia.

Dado que la presin de control cambia casi instantneamente con las modificaciones

en la presin trasera de la tobera la constante del tiempo del relevador neumtico es

Presin traserade la tobera Presin trasera

de la tobera

A la atmsfera

Suministrode aire

A la vlvula

A la

Suministro de aire

Figura 5-27

(a) Diagrama esquemtico de un relevador con escape; (b) Diagrama esquemtico de un

vador sin escape.

Seccin 5-6 Controladores neumticos 243

244

significante en comparacin con las otras constantes de tiempo ms grandes del contro-

lador neumtico y la planta.

Observe que algunos relevadores neumticos funcionan en accin inversa. Por ejemplo,

el relevador de la figura 5-28 es un relevador de accin inversa. En l, conforme aumenta

la presin trasera de la tobera Pb, la de esfera es impulsada hacia el asiento inferior,

por lo cual disminuye la presin de control Por consiguiente, se trata de un relevador de

accin inversa.

Controladores neumticos proporcionales (de tipo fuerza-distancia). En la in-

dustria se usan dos tipos de controladores neumticos, el denominado de fuerza-distancia y el

de fuerza-balance. Sin tomar en cuenta qu tan distintos parezcan los controladores neumti-

cos industriales, un estudio cuidadoso mostrara la estrecha similitud en las funciones del cir-

cuito neumtico. Aqu consideraremos controladores neumticos del tipo de fuerza-distancia.

La figura muestra un diagrama esquemtico de semejante controlador propor-

cional. El amplificador de tobera-aleta es el amplificador de la primera etapa y la presin

trasera de la tobera se controla mediante la distancia de la tobera-aleta. El amplificador de

tipo relevador constituye el amplificador de la segunda etapa. La presin trasera de la to-

bera determina la posicin de la vlvula de diafragma para el amplificador de la segunda

etapa, que es capaz de manejar una cantidad grande de flujo de aire.

En la mayor parte de los controladores neumticos, se emplea algn tipo de realimentacin

neumtica. La realimentacin de la salida neumtica reduce la cantidad de movimiento real

de la aleta. En lugar de montar la aleta en un punto fijo, como se aprecia en la figura

suele colocarse como pivote en los fuelles de realimentacin, como se observa en la figura

La cantidad de realimentacin se regula introduciendo un enlace variable entre el fue-

lle de realimentacin y el punto de conexin de la aleta. A su vez la aleta se convierte en un

enlace flotante. Se mueve tanto por la seal de error como por la seal de realimentacin.

La operacin del controlador de la es la siguiente. La seal de entrada para

el amplificador neumtico de dos etapas es la seal de error. El incremento en la seal de error

mueve la aleta hacia la izquierda. Este movimiento, a su vez, aumenta la presin trasera de la

tobera y la vlvula de diafragma se mueve hacia abajo. Esto provoca un aumento en la pre-

sin de control. Este incremento provoca que el fuelle Fse y mueva la aleta hacia la

derecha, con lo cual se abre la tobera. Debido a esta realimentacin, el desplazamiento de to-

bera-aleta es muy pequeo, pero el cambio en la presin de control puede ser grande.

Debe sealarse que la operacin adecuada del controlador requiere que el fuelle de re-

alimentacin mueva la aleta menos que el movimiento provocado por la pura seal de error.

(Si estos dos movimientos son iguales, no se producir una accin de control.)

Presin traserade la tobera

A la atmsfera

A la

Suministro de aire 5-28Relevador de accin inversa.

Captulo 5 Acciones bsicas de control y respuesta de sistemas de control

de errorcon

Tobera.

Orificio

Seal de error Seal de error

Figura 5-29

(a) Diagrama esquemtico de un controlador proporcional neumtico de tipo fuerza-distancia;

(b) aleta montada en un punto fijo; (c) aleta montada en un fuelle de realimentacin; (d) dia-grama de bloques para el controlador: (e) diagrama de bloques simplificado para el controlador.

Las ecuaciones para este controlador se obtienen del modo siguiente. Cuando el error

es cero, o e = 0, existe un estado de equilibrio con la distancia tobera-aleta igual a el des-

plazamiento del fuelle igual a el desplazamiento del diafragma igual a la presin

trasera de la tobera igual a y la presin de control igual a Cuando existe un error,

la distancia tobera-aleta, el desplazamiento del fuelle, el desplazamiento del diafragma, la

presin trasera de la tobera y la presin de control se desvan de sus valores de equilibrio

respectivos. Supongamos que desviaciones son y, respectivamente. (La di-

reccin positiva para cada variable de desplazamiento se indica mediante una punta de

flecha en el diagrama.)

Suponiendo que la relacin entre la variacin en la presin trasera de la tobera y la

variacin en la distancia tobera-aleta es lineal, tenemos que

= (5-13)

5-6 Controladores 245