⚙️ Los ACTUADORES 🏥 GIRATORIOS

👀  Actuador giratorio eléctrico

👉   Un cilindro lineal provisto de las conexiones necesarias se usa para producir movimientos rotatorios con ángulos menores que 360º; la siguiente figura el apartado a) ilustra este tipo de configuración. 

a) Cilindro lineal usado para producir una rotación, b) actuador giratorio tipo álabe, c) motor tipo álabe

✌   Otra alternativa es el actuador semigiratorio, en el cual se utiliza un álabe (lo vemos en la anterior figura en el apartado b)). La diferencia de presión entre ambos puertos hace girar el álabe y el vástago, lo cual es una medida de la diferencia de presiones. Dependiendo de éstas, el álabe gira en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario.

👆   Para giros de más de 360° se emplea un motor neumático; una modalidad de éste es el motor de álabes, como vemos en la anterior figura en el apartado c). Un rotor excéntrico tiene ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los álabes, empujando las paredes del cilindro a causa de la rotación. Los álabes dividen la cámara en compartimientos separados cuyo tamaño aumenta desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida. El aire que entra al compartimiento ejerce una fuerza

en uno de los álabes y provoca así el giro del rotor. La dirección de rotación del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada.

😎   Los sistemas neumáticos y los sistemas hidráulicos

👌   Los sistemas neumáticos utilizan aire, los sistemas hidráulicos usan aceite. El principal inconveniente en los sistemas neumáticos es la compresibilidad del aire. Los sistemas hidráulicos se pueden usar para dispositivos de control con mayor poder pero son más caros que los sistemas neumáticos y hay peligros asociados con las fugas de aceite que no ocurren con las fugas de aire.

👍   Los sistemas neumáticos e hidráulicos usan válvulas de control de dirección para dirigir el flujo del fluido a través de un sistema. Estas válvulas son válvulas de encendido/apagado. El símbolo que se utiliza para estas válvulas es un cuadrado para cada una de sus posiciones de encendido, los símbolos que se usan en cada cuadro indican las conexiones que se hacen cuando se activa esa posición.

😎   Cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos

El cilindro neumático o el cilindro hidráulico consiste en un tubo cilíndrico con un pistón/émbolo que puede deslizarse. Existen dos tipos básicos, cilindros de simple acción y cilindros de doble acción. 

👊   Con la acción simple, la presión del control es aplicada a sólo un lado del pistón, a menudo se utiliza un muelle resorte para ofrecer la oposición al movimiento del pistón. El otro lado del pistón está abierto a la atmósfera. El término doble acción se usa cuando las presiones de control se aplican en cada lado del pistón.

Las servoválvulas y válvulas de control proporcional son válvulas de posición infinita que dan a la válvula de carrete desplazamiento proporcional a la corriente suministrada al solenoide.

Las válvulas para el control de procesos se utilizan para controlar el ritmo del flujo del fluido. Las bases de dichas válvulas son un actuador que se usa para mover un conector al tubo del flujo y así cambiar la sección transversal del tubo a través del cual el fluido puede fluir. Hay muchas formas de

cuerpo y obturador de válvula que determinan la manera en la que el flujo del fluido controla la válvula.

Escrito por Archie Tecnology

⚡️ Ejemplo del CÁLCULO ✍️ de un SISTEMA de CONTROL de FLUIDOS 💦

Características de un sistema  💫  de control de una variable  💧

☝   La siguiente figura el apartado a) muestra las características esenciales de un sistema para controlar una variable, como es el nivel de liquido en un recipiente, controlando la velocidad a la que entra el líquido. 

Cálculo de un sistema de control de fluidos: a) Sistema de control de fluidos, b) convertidor de corriente a presión

👉   Elección del sensor de nivel de líquidos

La salida que produce el sensor de nivel del líquido, después del acondicionamiento de señal, se transmite al convertidor de corriente a presión como una corriente de entre 4 y 20 mA. A continuación, esta señal se convierte en una presión manométrica de 20 a 100 kPa con la cual se acciona la válvula de control neumático y se controla el gasto con el que el liquido entra en el recipiente.

👉  La anterior figura el apartado b) ilustra la configuración básica de un convertidor de corriente a presión. 

Funcionamiento de un convertidor de corriente a presión  😎

La corriente de entrada pasa por bobinas montadas en un núcleo que es atraído hacia un imán; el grado de atracción depende de la magnitud de la corriente. El movimiento del núcleo provoca el desplazamiento de la palanca alrededor de su pivote y de una aletilla situada arriba de la boquilla.

La posición de la aletilla en relación con la boquilla define el gasto de salida del aire del sistema y, por lo tanto, la presión de aire en el sistema. Se utilizan muelles de resortes en la aletilla para ajustar la sensibilidad del convertidor, de manera que una corriente entre 4 y 20 mA produzca una presión manométrica de 20 a 100 kPa. Estos son valores estándar que en general se utilizan en este tipo de sistemas.  😃

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✍️ DIMENSIONADO de VÁLVULAS de 🖥️ CONTROL

Válvula de control de 4 vías de la marca FESTO

⭐  Cómo hacer el cálculo y dimensionado de las válvulas de control de nuestro sistema mecatrónico

El término dimensionamiento de válvulas de control se refiere al procedimiento para calcular el tamaño adecuado del cuerpo de una válvula. La ecuación que relaciona el gasto de un liquido Q que fluye por una válvula toda abierta y el tamaño de esta es:

👉  donde Av, es el coeficiente de flujo de la válvula, ΔP la caída de presión a través de la válvula y ρ la densidad del fluido. Esta ecuación también se expresa de la siguiente manera, con las magnitudes en unidades del SI,

👉  donde Cv es el coeficiente de flujo de la válvula de control. Otra manera de expresar la misma ecuación es

👉  donde G es la gravedad específica o densidad relativa. Estas dos últimas ecuaciones se obtuvieron de la ecuación original en términos de galones estadounidenses. La Tabla siguiente muestra algunos valores típicos de Av, Cv y la dimensión de la válvula.

🌟  Tabla de valores para la elección de válvulas de control

💥  Cálculo y elección de la válvula de control necesaria para nuestro sistema automatizado. Ejemplo práctico

Para ejemplificar lo anterior, considere el problema al calcular el tamaño de una válvula que se utiliza para controlar un flujo de agua, cuando el máximo flujo requerido es 0.012 m3/s y la caída de presión permisible en la válvula es 300 kPa. Al usar la ecuación:

por lo tanto, dado que la densidad del agua es 1 000 kg/m3,

Entonces, al usar la Tabla anterior 👀👆, el tamaño de la válvula es 960 mm.   🙏

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🍀 CUERPOS y OBTURADORES de las VÁLVULAS 🤓 NEUMÁTICAS 🍫

💢  Tipos de cuerpos y obturadores de las válvulas

👉   La siguiente figura el apartado b) muestra la sección transversal de una válvula que controla el gasto de un fluido.  💥

Sección transversal de una válvula

El cambio de presión en el actuador desplaza el diafragma y el vástago de la válvula. Como resultado, el obturador interior de la válvula se mueve dentro de ésta. El obturador restringe el flujo del fluido y su ubicación determina el gasto.

👌  Los cuerpos de las válvulas y los obturadores tienen formas diversas; la figura siguiente muestra algunas formas. 

👍  Válvulas de un asiento y válvulas de doble asiento

✌  Se denomina de un asiento la válvula en la que el fluido sólo tiene una trayectoria para recorrerla, y con ello sólo requiere un obturador para controlar el flujo. Se dice que una válvula tienen doble asiento cuando el fluido que entra por ella se divide en dos corrientes, como podemos observar en la primera figura de la sección transversal de la válvula, donde cada corriente pasa por un orificio controlado por un obturador, es decir, en este tipo de válvula hay dos obturadores.

☝  La válvula de un asiento tiene la ventaja de que su cierre es más hermético que el de una válvula de doble asiento; su desventaja es que la fuerza que el flujo ejerce sobre el obturador es mucho mayor, por lo que el diafragma del actuador tiene que aplicar fuerzas mucho mayores al vástago. Esto puede

ocasionar problemas en la colocación exacta del vástago. Las válvulas de doble asiento no tienen ese problema. La forma del cuerpo también determina si un aumento en la presión del aire producirá la apertura o cierre de la válvula.  💅

La forma del obturador define la relación que existe entre el movimiento del vástago y el efecto en el gasto. La siguiente figura el apartado a) muestra tres tipos de obturadores de uso común y el apartado b), la relación porcentual entre el gasto volumétrico y el desplazamiento del vástago de la válvula.

a) Formas de obturadores de bolsa, b) características de flujo

👽  Con el tipo de apertura rápida, a un cambio considerable del gasto corresponde un ligero movimiento del vástago de la válvula. Este tipo de obturador se utiliza cuando se necesita un control encendido/apagado (on/off) del gasto.

En el obturador de contorno lineal, el cambio de flujo es proporcional al cambio en el desplazamiento del vástago de la válvula, es decir:

Cambio en el gasto = k (cambio en el desplazamiento del vástago)

donde k es una constante. Si Q es el gasto del desplazamiento del vástago de la válvula S y Qmax es el gasto máximo para el desplazamiento máximo, Smax ,  se tiene que:

es decir, el porcentaje de cambio en el flujo es igual al porcentaje de cambio en el desplazamiento del vástago.

👀  Ejemplo práctico con un actuador de válvula

Para ejemplificar lo anterior considere el problema de un actuador cuyo desplazamiento total es 30 mm. Si está montado en una válvula con obturador lineal cuyo gasto mínimo es 0 y el máximo es 40 m3/s,   ¿ cuál será el gasto con un desplazamiento de vástago de a) 10 mm, b) 20 mm ? Dado que el porcentaje

del gasto es igual al porcentaje del desplazamiento del vástago: a) un porcentaje de desplazamiento de vástago de 33% produce un gasto de 33%, es decir, 13 m3/s; b) un porcentaje de desplazamiento de vástago de 67% produce un gasto de 67%, es decir, 27 m3/s.

Con el obturador de igual porcentaje, los cambios en porcentaje en el gasto son iguales a los cambios en porcentaje de la posición del vástago de la válvula, es decir:

donde ΔQ es el cambio experimentado en el gasto Q y ΔS el cambio en la posición de la válvula resulta del cambio anterior. Si la ecuación anterior expresa los cambios pequeños y luego se integra, se obtiene:

Al despejar el gasto Qmax, el cual está en función de Smax, se tiene que:

Al eliminar k de estas dos ecuaciones se tiene:

                                        y así 

Una característica de la relación Qmax/Qmin es la capacidad de rango (rangeabilidad).

Para ilustrar lo anterior, considere el problema de un actuador, con un desplazamiento total de vástago de 30 mm. Está montado en una válvula de control que tiene un obturador de igual porcentaje y un gasto mínimo de 2 m3/s y un gasto máximo de 24 m3/s. ¿Cuál será el gasto si el desplazamiento del vástago es: a) 10 mm, b) 20 mm? Con base en la ecuación:

tenemos que para a) Q =2 x (24/2)10/30 = 4.6 m3/s y para b) Q = 2 x (24/2)20/30 = 10.5 m3/s.

La relación entre el gasto y el desplazamiento del vástago es una de las características inherentes de la válvula. En la práctica, esto sólo se puede observar si las pérdidas de presión en el resto de la tubería son despreciables en comparación con la caída de presión a través de la válvula. Si las caídas de presión en la tubería son de tal magnitud que, por ejemplo, la mitad de la caída de la presión se produce en la válvula, una característica de operación de tipo lineal se convertiría casi en una característica de apertura rápida. Las características lineales tienen amplia aplicación en casos que requieren una respuesta lineal cuando la mayor parte de la presión del sistema cae al pasar por la válvula. El efecto de una caída de presión considerable en la tubería si se usa una válvula de igual porcentaje, es darle aún más características lineales. Por ello, si se necesita una respuesta lineal sólo una pequeña porción de la presión del sistema se pierde al pasar por la válvula, es recomendable usar una válvula de igual porcentaje.  💪

Escrito por Archie Tecnology

VÁLVULAS para el ✍️ CONTROL de PROCESOS 🤖

👀  Aplicaciones de las válvulas para el control  💢  de procesos

👍  Las válvulas para el control de procesos permiten controlar el gasto de un fluido; por ejemplo, cuando se debe controlar el gasto del liquido a un tanque. Uno de los elementos básicos de estas válvulas es un actuador que desplaza un obturador en la tubería por donde circula el fluido modificando el área de la sección transversal de dicha tubería.

Utilización del actuador neumático

👉  Una forma común para el manejo del actuador neumático que se utiliza en las válvulas para el control de procesos es el actuador de diafragma que, en esencia, consiste en un diafragma con la señal de presión de entrada del controlador en un lado y la presión atmosférica en el otro; esta diferencia de presión se conoce como presión manométrica. El diafragma está hecho de hule sujeto entre dos discos de acero. El efecto de los cambios de la presión de entrada produce el desplazamiento de la parte central del diafragma, como se observa en la siguiente figura en el apartado a). 

a) Actuador de diagrama neumático, b) válvula de control

Este movimiento se transmite al elemento de control final por un vástago unido al diafragma, como por ejemplo podemos observar en la anterior figura en el apartado b).

💪  La fuerza F que actúa en el vástago es la que se aplica al diafragma y su valor es igual a la presión manométrica P multiplicada por el área del diafragma A. Un muelle resorte proporciona una fuerza de restauración. Si el vástago se desplaza un distancia x y suponiendo que la compresión del resorte es proporcional a la fuerza aplicada, es decir, F = kx, con k como una constante, entonces kx = PA y, por eso, el desplazamiento del vástago es proporcional a la presión manométrica.

Actuador de diafragma

👌 Para ilustrar todo lo expuesto anteriormente considere un actuador de diafragma que se usa para abrir una válvula de control, si debe aplicarse una fuerza de 500 N a la válvula. ¿Qué área debe tener el diafragma para manejar una presión manométrica de control de 100 kPa? La fuerza F que se aplica al diafragma con área A mediante una presión P está dada por P = F/A. Por lo tanto, A = 500/(100 x 103 ) = 0.005 m2.

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💡 SERVOVÁLVULAS y las VÁLVULAS de 🤖 CONTROL PROPORCIONAL 🏥

👌  Funcionamiento de las servoválvulas y las válvulas de control proporcional  👍

Control en cascada de un circuito neumático que se usa para dar A+, B+, B-,A-

👍  Las servoválvulas y válvulas de control proporcional son válvulas de posición infinita que dan a una válvula de carrete desplazamiento proporcional a la corriente aplicada a un solenoide. Básicamente, las servoválvulas tienen un par motor para mover el carrete dentro de una válvula (como vemos en la siguiente figura).  👀

La forma básica de una servoválvula

👂  Al variar la corriente aplicada al par motor, se desvía una armadura y esto mueve el carrete en la válvula y, por lo tanto, da un flujo que se relaciona con la corriente. Las servoválvulas son de alta precisión y costosas y por lo general se utilizan en un sistema de control de lazo cerrado.

💣  Las válvulas de control proporcional son menos caras y en esencia tienen la posición del carrete directamente controlado por el tamaño de la corriente para la válvula solenoide. A menudo se emplean en sistemas de control de lazo cerrado.

Escrito por Archie Tecnology

🤓 CONTROL SECUENCIAL de CILINDROS 🏥

👉  Secuenciado de cilindros

👌  En muchos sistemas de control se utilizan cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos como elementos de actuación que requieren una secuencia de extensiones y contracciones de dichos cilindros. 

👌  Ejemplo de un control secuencial de cilindros

✋  Por ejemplo, suponiendo que se tienen los cilindros A y B y se necesita que al oprimir el botón de arranque se extiende el pistón del cilindro A y, una vez extendido, se extienda el cilindro B. Cuando

esto ocurre y ambos cilindros están extendidos, se necesita que el cilindro A se contraiga y una vez que está todo contraído, el pistón B se contraiga. En el control secuencial mediante cilindros es común asignar a los cilindros una literal de referencia A, B, C, D, etcétera, e indicar el estado correspondiente

del cilindro mediante un signo +, si el cilindro está extendido, o un signo - si está contraído. De este modo, la secuencia de operaciones sería: A+, B+, A- y B-. En la siguiente figura se muestra un circuito mediante el que se produciría esta secuencia.

Operación de dos actuadores secuenciales

💢  La secuencia de operación es la siguiente:

1. Al principio los pistones de ambos cilindros están contraídos. Se oprime el botón de arranque de la válvula 1, esta acción aplica presión a la válvula 2, conforme el interruptor limite b- se activa, a continuación se conmuta la válvula 3 para aplicar presión al cilindro A y éste se extienda.

2. El cilindro A se extiende y se deja de presionar el interruptor límite a-. Cuando el cilindro A está del todo extendido, se activa el interruptor limite a+. Este conmuta la válvula 5 y provoca que se aplique presión a la válvula 6 para conmutarla y así aplicar presión al cilindro B a fin de que se extienda su pistón.

3. El cilindro B se extiende y se libera el interruptor b-. Una vez que el cilindro B está extendido entra en funcionamiento el interruptor limite b+. Este conmuta la válvula 4 y causa que se aplique presión a la válvula 3 y al cilindro A para iniciar la contracción de su cilindro.

4. El cilindro A se contrae y libera al interruptor limite a+. Cuando el cilindro A está extendido se activa el interruptor limite a- . Este conmuta la válvula 7, aplica presión a la válvula 5 y al cilindro B para que inicie la contracción de su cilindro.

5. El cilindro B se contrae y libera al interruptor límite b+. Una vez contraído el cilindro B, entra en operación el interruptor limite b-para completar el ciclo. 

👉  Para iniciar de nuevo el ciclo basta oprimir el botón de arranque. Si se desea el funcionamiento continuo del sistema, será necesario que el último movimiento de la secuencia active el primer movimiento.

Control en cascada de cilindros neumáticos e hidráulicos  💬

✌  Otra forma de lograr la secuencia anterior es conectar y desconectar por grupos el suministro del aire que se alimenta a las válvulas, método que se conoce como control en cascada y con el cual se evita un problema que puede presentarse en los circuitos dispuestos como se ve en la anterior figura. En ellos el aire queda entrampado en la línea de presión para controlar una válvula, evitando así que sea conmutada. Al usar el control en cascada, la secuencia de operaciones se distribuye entre grupos donde la letra para identificar los cilindros aparece sólo una vez por grupo. Así, en la secuencia A+, B+, B-y A-, se tendrían los grupos A+, B+ y  A-, B-. A continuación se utiliza una válvula para conmutar el suministro de aire entre ambos grupos, es decir, se proporciona aire al grupo A+B+ y luego al grupo A-B-. En la línea para seleccionar el primer grupo se incluye una válvula de arranque/paro y, si se desea, la repetición continua de la secuencia, en la última operación se debe producir una señal que inicie de nuevo la secuencia. La primera función de cada grupo se inicia con la conmutación de la fuente de alimentación de ese grupo. Las siguientes acciones del grupo se controlan mediante válvulas operadas por interruptor; la última operación de una válvula activa al siguiente grupo elegido. La siguiente figura muestra el circuito neumático.

Control en cascada que se usa para dar A+, B+, B-, A-.

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😎 Los CILINDROS utilizados en AUTOMATIZACIÓN 🤖 y MECATRÓNICA ⚙️

💣  Cilindros

✌  El cilindro hidráulico o neumático es un ejemplo de actuador lineal. Los principios y configuración son los mismos para la versión hidráulica y la neumática, la diferencia es el tamaño como consecuencia de las presiones más altas usadas en las versiones hidráulicas. El cilindro pistón consiste en un tubo cilíndrico por el que se desplaza un pistón/émbolo. Existen dos tipos básicos, los cilindros de simple acción y los cilindros de doble acción.

Cilindro pistón de simple acción

👌  El término cilindro de simple acción se utiliza cuando la presión se aplica sólo en uno de los extremos del pistón; en general se utiliza un muelle resorte para oponerse al desplazamiento del pistón. El otro lado del pistón se abre a la atmósfera. La siguiente figura muestra un cilindro con un muelle resorte de compresión. 

Cilindro de acción simple

El fluido es aplicado a un lado del pistón a una presión manométrica ρ con el otro lado a la presión atmosférica y así se produce una fuerza en el pistón de ρA, donde A es el área del pistón. La fuerza real que actúa en la barra del pistón será menos que ésta debido a la fricción.

Para el cilindro de acción sencilla que se muestra en la figura siguiente, cuando las corrientes pasan por el solenoide, la válvula cambia la posición y la presión es aplicada para mover el pistón a lo largo del cilindro. 

Control de un cilindro de acción sencilla con a) no corriente a través del solenoide, b) una corriente a través del solenoide

👊  Cuando la corriente a través del solenoide cesa, la válvula vuelve a su posición inicial y el aire se

desfoga del cilindro. Como consecuencia, el muelle resorte regresa al pistón hacia atrás a lo largo del cilindro  😉.

Cilindro pistón de doble acción

👌  El término cilindro de doble acción se utiliza cuando se aplica presión de control a los dos lados de un pistón (como vemos en ésta otra imagen). 

Cilindro de doble acción

La diferencia de presión entre ambos lados produce el movimiento del pistón, el cual se puede mover en cualquier dirección por el cilindro como resultado de las señales de alta presión. En el cilindro de doble acción de la figura siguiente, la corriente que pasa por un solenoide causa que el pistón hidráulico se mueva en una dirección y la corriente por el otro solenoide invierte la dirección del movimiento.

Control de un cilindro de doble acción con solenoide, a) no activado, b) activado

👉  La selección del cilindro dependerá de la fuerza y velocidad que se requieran para desplazar la carga. 

Los cilindros hidráulicos vs neumáticos

💅  Los cilindros hidráulicos tienen mayor capacidad de fuerza que los neumáticos, sin embargo, estos son mas veloces.

La fuerza que produce un cilindro es igual al área de la sección transversal del cilindro multiplicada por la presión de trabajo, es decir, la diferencia entre las presiones en ambos lados del pistón en el cilindro. 

Si se utiliza un cilindro pistón con presión neumática de trabajo de 500 kPa y diámetro de 50 mm, se obtiene una fuerza de 982 N. Un cilindro hidráulico del mismo diámetro con presión de trabajo de 15000 kPa produce una fuerza de 29.5 kN.

Si el gasto de un liquido hidráulico que fluye por un cilindro tiene un volumen Q por segundo, el volumen que abarca el pistón en un tiempo de 1 s debe ser igual a Q. Pero para un pistón con un área de sección transversal A, se trata de un movimiento que recorre una distancia igual a v en un 1 s, por lo que

Q = Av. Por lo tanto, la velocidad v de un cilindro pistón hidráulico es igual al gasto del liquido Q que pasa por el cilindro dividido entre el área de la sección transversal A del cilindro. Si un cilindro hidráulico tiene un diámetro de 50 mm y un flujo hidráulico de 7.5 x 10-3 m3/s, la velocidad es 3.8 m/s. No es posible calcular de esta manera la velocidad de un cilindro neumático dado que esta velocidad depende de la velocidad de desfogue del aire que precede al pistón que se desplaza. Para regular la velocidad se puede utilizar una válvula neumática.

👏  Como ejemplo considere el problema de un cilindro hidráulico que va a transportar una pieza de trabajo en una operación de manufactura a lo largo de 250 mm en 15 s. Si se necesita una fuerza de 50 kN para mover la pieza, ¿ cuál será la presión de trabajo y el gasto del líquido hidráulico, si el cilindro tiene un diámetro de 150 mm ? El área de la sección transversal del pistón es 1/4π x 0.1502 = 0.0177 m2. La fuerza que produce el cilindro es igual al producto del área de la sección transversal del cilindro y la presión de trabajo. Por lo tanto, la presión de trabajo es 50 x 103/0.0177 = 2.8 MPa. La velocidad de

un cilindro hidráulico es igual al gasto del líquido a través del cilindro dividido entre el área de la sección transversal del cilindro. Por lo tanto, el gasto necesario es (0.250/15) x 0.0177 = 2.95 x 10-4 m3/s.

Escrito por Archie Tecnology