ES2245239B1 - Servoposicionador para valvula de microrregulacion. - Google Patents
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Abstract
Servoposicionador para válvula de microrregulación. Se trata de un sistema de posicionamiento aplicable a válvulas micrométricas de regulación y que está formado por una válvula de microrregualción (1) unida mediante un acoplamiento flexible (2) al eje (4) de un servomotor (3), y fijada a éste mediante un soporte (6), motor (3) que a su vez acoplado a un potenciómetro (5), que transmite la posición del eje (4) del motor (3), y por tanto del vástago de la válvula (1), a un sistema de control que compara una señal recibida desde un sistema externo de control y la posición de la válvula (1) corrigiendo la posición de ésta con un movimiento del motor (3), obteniendo así un sistema de posicionamiento rápido y preciso, capaz de trabajar a presiones elevadas y con caudales muy bajos.
Description
Servoposicionador para válvula de
microrregulación.
La presente invención se refiere a un
servoposicionador para válvula de microrregulación, de especial
aplicación en sistemas de control de flujo o presión que trabajen a
alta presión y/o bajo caudal, concretamente se trata de una válvula
de microrregulación, con o sin asiento modificado, actuada mediante
un sistema servomotor de muy alta resolución y elevada
velocidad.
El objeto de la invención es proporcionar un
sistema de posicionamiento rápido y preciso de una válvula
micrométrica de regulación, con velocidad de respuesta instantánea
para su aplicación en sistemas de control de presión y/o caudal,
para reactores o equipos a escala de laboratorio o
micro-piloto.
La mayor parte de los sistemas piloto, y
particularmente un reactor para estudios a escala de laboratorio,
implican el uso de caudales extremadamente bajos y presiones
habitualmente altas. Ello implica trabajar con válvulas que tienen
unos valores de C_{V} considerablemente bajos, en el orden de
10^{-7} a 10^{-4}. La construcción mecánica de estas válvulas
implica rozar los límites de precisión de las máquinas y
herramientas necesarias para su construcción. Tanto es así, que los
fabricantes se ven obligados a resolver la mecanización de estos
sistemas con soluciones simples como, por ejemplo, introducir un
cilindro dentro de un orificio también cilíndrico, de forma que la
modulación del paso de fluido no es consecuencia de la variación de
la sección del orificio de paso, sino que es función de la longitud
que se atraviesa en una restricción de sección constante, modulada
por la longitud del obturador que se introduce en el interior del
asiento.
Esto conlleva una restricción muy importante en
el uso de estas válvulas, que básicamente consiste en su muy baja
escalabilidad (diferencia entre el caudal que circula para una
determinada diferencia de presión cuando ésta se encuentra
totalmente cerrada y totalmente abierta), habitualmente del orden de
10 a 15. Este término se conoce habitualmente como
rangeabilidad.
Ello implica una limitación muy importante para
estos sistemas, que puede entenderse con el siguiente ejemplo
exageradamente simplificado: Se ha elegido una válvula con C_{V}
_{hipotético}= 40 para un sistema tal que su intervalo medio de
trabajo es P = 5 bar, Q = 100 cm^{3}/min, de forma que el C_{V}
_{hipotético} en este intervalo es 100/5 = 20. Dado que la
escalabilidad de esta válvula será, por limitaciones mecánicas de
construcción, próxima a 10, el C_{V} _{hipotético} de trabajo
tomará valores desde 4 hasta 40. Si la presión se mantiene
constante en 5 bar y se pretende estudiar el comportamiento de este
proceso para diferentes caudales, estos solo podrán variar entre 200
y 20 cm^{3}/min (obviamente existe una proporción de 10 entre
estos valores). La dificultad aparece cuando se pretende estudiar
el comportamiento del sistema para diferentes presiones pues, si
con el caudal de 20 cm^{3}/min se pretendiese trabajar a 20 bar,
el C_{V} _{hipotético} necesario sería de 1 y, si además se
decidiera estudiar el sistema cuando la presión es de 1 bar, para
que a través de la válvula circulasen los 200 cm^{3}/min sería
necesario disponer de una capacidad de paso o C_{V}
_{hipotético} de 200.
En este ejemplo queda patente que para no
limitar la capacidad de estudio de este proceso en el sistema
preparado, la "rangeabilidad" de la válvula de control debía
haber sido de 200, 20 veces superior a la "rangeabilidad" de
las válvulas microcaudal que se encuentran en el mercado.
En los sistemas de microcaudal el control de la
presión entraña una dificultad notable. Efectivamente, en un reactor
de microactividad catalítica, la situación que se plantea cuando el
flujo de gases en el sistema es muy bajo, del orden de 20 ó 50
Ncm^{3}/min y la presión es alta, del orden de 90 bar, es de
difícil solución. Las alternativas más habituales para controlar la
presión en estos sistemas son tres: el uso de un regulador mecánico
de presión aguas arriba (back-pressure) de
mecanismo orificio-diafragma-muelle,
el de un back-pressure electrónico con
válvula tipo MFC, y por último, la presión en el sistema puede
controlarse cerrando un lazo de control, donde el elemento final es
una válvula de control, habitualmente neumática, con
electroposicionador.
En el regulador mecánico la presión en el
sistema se comunica a través de un orificio con la cámara de
salida, pero este orificio se encuentra sellado por un diafragma
sobre el que un muelle realiza una presión. Cuando la presión en el
sistema puede vencer la presión que ejerce el muelle sobre el
orificio, el diafragma se abre y queda en equilibrio de fuerzas. La
presión a la que esto ocurre se selecciona tarando la válvula, o lo
que es lo mismo, actuando sobre un mando que comprime el muelle
contra el diafragma para seleccionar presiones, más o menos altas
de disparo.
Un dispositivo de este tipo tiene un gran número
de inconvenientes: el dispositivo mecánico de control es de tipo
"solo" proporcional y, por tanto, se ve afectado por un error
de "offset", esto es, una vez seleccionada una presión
de funcionamiento, si el caudal de circulación crece, el valor de
la presión se desplaza.
Además, aunque los fabricantes cuentan con una
extensa gama de equipos, no disponen de instrumentos adecuados para
los caudales en los que opera este tipo de sistemas microcaudal.
Así, al utilizarse instrumentos no adecuadamente dimensionados,
cuando la presión del sistema desplaza la membrana y el fluido
circula por el orificio, el C_{V} que lo define es tan alto que
una porción muy importante de fluido escapa, la presión desciende y
el muelle vuelve a vencer la presión del sistema cerrando el
diafragma. Esta operación se repite cuando de nuevo el sistema
alcanza una presión suficiente como para desplazar el diafragma, no
alcanzándose nunca la situación en la que el diafragma queda en
equilibrio a una cierta distancia del orificio. Un sistema de
adquisición de datos adecuado podría apreciar una ligera oscilación
en la presión de sistema, de por ejemplo \pm 0,1 bar en 90 bar,
lo que podría llevar a pensar que el sistema de control es bastante
preciso. La situación, en cambio, no es admisible para un equipo de
reacción, ya que el flujo que circula por el reactor es de
naturaleza pulsante y los resultados de él obtenidos muy
probablemente van a ser influenciados por esta característica.
Más aún, estos aparatos se caracterizan por
tener un volumen muerto muy elevado en comparación con el sistema
de reacción. Si por el sistema circulan vapores, estos condensarán
en el interior, no evacuándose dada la desproporción en el tamaño
(el volumen muerto puede ser del orden de no menos de 25 cm^{3}).
Soluciones como la de calefactar los instrumentos no dan resultados
satisfactorios en la mayoría de casos.
No debe olvidarse además la característica de
funcionamiento "manual" de estos sistemas, que no pueden ser
manejados por sistemas remotos de control, o que el hacerlo implica
unos costos desproporcionados.
El sistema back-presure
electrónico con válvula tipo MFC, es estable en el control de la
presión y el campo de operatividad es relativamente aceptable, por
el contrario, su principal problemática aparece cuando en el sistema
se encuentran productos en fase vapor. Como es lógico, el buen
comportamiento de estos instrumentos es consecuencia de lo ajustado
de su C_{V} para la naturaleza del proceso. Este coeficiente de
paso viene determinado por el tamaño del orificio de la válvula de
control. En una situación donde los vapores presentes se acumulen
hasta formar una microgota de condensado, en el momento que esta
microgota atraviese el orificio, el aumento de la presión en el
sistema sería instantáneo por causa del tapón que representa el paso
del líquido por este microorificio.
También debe tenerse en cuenta que en estos
sistemas los no condensados tienen naturalezas muy distintas, y que,
en función de esa naturaleza, muchos de estos productos podrían
considerarse "suciedad" en el sentido de que se pueden
depositar sobre las paredes internas del instrumento, taponando
definitivamente el orificio de la válvula de control.
Efectivamente, la experiencia demuestra que estos instrumentos son
excesivamente delicados para el trabajo en una proporción muy alta
de sistemas de reacción.
Conviene también comentar que estos sistemas no
admiten calefacción, debido a su naturaleza electrónica y a que la
válvula consiste básicamente en una electroválvula de bobina de
solenoide.
Como alternativa a los sistemas mencionados, el
problema de control en estos sistemas puede resolverse configurando
un lazo de control de la presión convencional, en la que la señal
de un transmisor de presión es recibida por un controlador tipo PID
que elabora la señal de control y la transmite a una válvula de
control que actúa sobre la corriente de salida del sistema modulando
el flujo de circulación y regulando así la presión. Pero las
microválvulas comerciales convencionales, además de otros problemas
que pueden presentar, se caracterizan por una baja
"rangeabilidad" cuando el C_{V} requerido se encuentra por
debajo de la barrera de aproximadamente 10^{-3}. De hecho, son
muy pocos los fabricantes que suministran válvulas con coeficientes
de paso tan bajos.
En las válvulas microcaudal, que implican
valores de C_{V} de 10^{-4} a 10^{-6}, por ejemplo, este
problema se agrava al límite. Básicamente, la baja escala útil de
trabajo de estas válvulas es consecuencia de las dificultades de
mecanizado de orificios y obturadores con los tamaños que se
requieren para generar estos bajos coeficientes de paso. Estas
dificultades de mecanizado llevan a los constructores a decantarse
por mecanizar un orificio cilíndrico e introducir a través de él un
vástago también cilíndrico con una determinada tolerancia entre
ambos elementos. Entonces, el vástago pasa de su posición de mínimo
a máximo recorrido para variar no la sección del estrangulamiento,
sino la longitud del mismo que debe atravesar el fluido a su paso
por la válvula, manteniendo constante la sección de paso.
El servoposicionador para válvula de
microrregulación que la invención propone resuelve de forma
satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en los
distintos aspectos comentados, ya que se trata de un sistema de
posicionamiento de una válvula micrométrica de regulación que
permite obtener una alta rangeabilidad para las condiciones
del
proceso.
proceso.
El sistema que la invención propone consiste en
una válvula de microrregulación comercial, unida mediante un
acoplamiento flexible a un servomotor, a su vez acoplado a un
potenciómetro o a un encoder para conocer en todo momento la
posición de la válvula. No existe desmultiplicación entre el eje de
la válvula y el elemento de medida de la posición.
La válvula de microrregulación consiste en una
aguja que según se desplaza se va ajustando cada vez más a un
orificio, generando un paso de sección variable en función de la
proporción que se ha desplazado la aguja; con este tipo de válvulas
se mejorará entonces, además de la rangeabilidad, la precisión en
el control, ya que el desplazamiento no se produce linealmente,
sino que se desplaza mediante la acción de giro del vástago por
medio de un tornillo micrométrico; además el volumen muerto interno
para estas válvulas es muy bajo, inferior a 0.5 cm^{3}.
Otra ventaja que presenta este tipo de válvulas
es que puede calefactarse hasta una temperatura de aproximadamente
200 - 250ºC si su empaquetadura es de teflón y, debido a sus
mínimas dimensiones, puede ser introducida en el interior de una
caja caliente que contenga todas las líneas calorifugadas del
sistema. Tampoco supone ningún problema la aparición de microgotas
de condensado, puesto que en estas válvulas se modula el tamaño del
orificio, por lo que, en cuanto este alcance las dimensiones
adecuadas, la gota atravesará el mismo sin causar un accidente en la
operación.
La válvula de control debe estar construida con
los materiales adecuados, preferentemente acero inoxidable, además
debe admitir altas temperaturas de trabajo, y lo que es más
importante, su empaquetadura debe ser químicamente compatible con
las sustancias con las que se va a trabajar.
Una de las características importantes del
dispositivo propuesto, consiste en utilizar un soporte para esta
válvula de microrregulación, que estará unido al eje del motor
mediante un acoplamiento flexible, que permite el avance y retroceso
del vástago en las carreras de cierre y apertura, también permite
unir en el extremo opuesto del eje motor un potenciómetro o encoder
de alta resolución que copie y retransmita la posición del eje del
motor, y por tanto del vástago de la válvula, al sistema de
control.
El potenciómetro es el dispositivo encargado de
la lectura de la posición exacta en la que se encuentra el vástago
de la válvula y, por lo tanto, de transmitir la posición exacta del
obturador con respecto al orificio de la válvula. Dicho
potenciómetro se encuentra situado en el eje motor, en el extremo
opuesto a la válvula, fijado mediante un accesorio que se ha
preparado al efecto. Se trata de una resistencia eléctrica variable
entre cuyos extremos se aplica una tensión de referencia, cuenta con
un cursor que se desplaza por esta resistencia fija y, a medida que
esto ocurre, la caída de tensión entre los extremos de la
resistencia varía. Midiendo por tanto la caída de tensión entre el
cursor y un extremo se tendrá conocimiento de la posición relativa
de ese cursor respecto del extremo.
El servomotor utilizado es un motor paso a paso
cuyo principio de funcionamiento es muy sencillo. Se basa en
electroimanes que se conectan y desconectan alternativamente para
que un rotor, que suele ser un imán permanente, se mueva en
pequeños pasos en la dirección requerida, de manera que alternando
el esquema de energización de las bobinas del motor se consigue el
desplazamiento por pasos de ese
rotor.
rotor.
Este servomotor de, por ejemplo, 200 pasos por
vuelta, se controla mediante electrónica multipaso, obteniéndose
incluso 51.200 pasos por vuelta, permitiendo entonces un
posicionamiento muy preciso del eje motor.
La concepción digital de este sistema
posicionador hace muy sencilla su electrónica, la cual consiste en
un microprocesador que realiza el programa de control de la
posición y que transmite las órdenes de movimiento a un circuito de
control y potencia de las bobinas del motor.
El sistema de control de la posición consiste en
un comparador entre la señal de control recibida desde un sistema
externo de control y la posición de la válvula leída por el
potenciómetro, calculando entonces el número de posiciones que debe
avanzarse y todo ello dentro de un loop infinito que, en todo
momento, corrige la posición del motor. Todo ello con alta
velocidad al tratarse de un sistema digital de control.
En este sistema, el potenciómetro seguidor es
leído por el circuito en su puesta en marcha para el
posicionamiento de cero del sistema y, posteriormente, se lee cada
vez que finaliza un ciclo de posicionamiento, con el objeto de
confirmar el buen funcionamiento del sistema. Este sistema es de
lazo abierto. Se utiliza para la lectura del potenciómetro un
generador de corriente y un amplificador de instrumentación,
eliminando errores y ruidos provenientes del cableado.
El sistema de servoposicionamiento con motor
paso a paso descrito, permite alcanzar precisiones mejores que
\pm 1º, lo que supone un comportamiento muy bueno para los
sistemas tratados de altas presiones y/o bajos caudales.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática del conjunto de los elementos constitutivos del
servoposicionador para válvulas de microrregulación, objeto de la
invención.
La figura 2.- Muestra un diagrama de bloques
donde se ha representado el sistema que controla el
servoposicionador que la invención propone.
A la vista de las figuras reseñadas, y más
concretamente de la figura 1, puede observarse como el
servoposicionador objeto de la invención está constituido
esencialmente por una válvula de microrregulación (1), unida
mediante un acoplamiento flexible (2) a un servomotor (3), con ejes
(4) en ambos extremos, que a su vez está acoplado a un
potenciómetro (5), que permite conocer en todo momento la posición
de la válvula (1).
Estos elementos que constituyen el sistema están
montados de manera que forman un conjunto para lo que cuentan con
un soporte (6) para la válvula de microrregulación (1), que estará
unida al eje (4) del motor (3) mediante el acoplamiento flexible
(2), que permite el avance y retroceso del vástago en las carreras
de cierre y apertura.
La válvula (1) empleada cumple las
características especificadas para la aplicación a que está
destinada, es decir que puede utilizarse para presiones de hasta 200
bar a una temperatura de 205ºC, cuenta con una empaquetadura que
permite el cierre sin fugas del vástago sin gran compresión del
mismo, es suave en su funcionamiento, todos sus elementos internos
son de acero inoxidable y teflón, y cuenta además con un orificio
modificado construido en polieteretercetona, un material
químicamente inerte y de buenas prestaciones mecánicas, que soporta
temperaturas altas de trabajo y tiene propiedades autolubricantes,
dotando a la válvula (1) de una mayor dureza y resistencia a la
deformación con el tiempo, evitando con ello el deterioro de la
aguja.
Como servomotor (3) se ha seleccionado un motor
paso a paso, de 200 pasos por vuelta en configuraciones con 50.000
pasos en una rotación.
El potenciómetro (5) es el dispositivo encargado
de la lectura de la posición exacta en la que se encuentra el
vástago de la válvula (1) y, por lo tanto, de transmitir la
posición exacta del obturador con respecto al orificio de dicha
válvula (1). Dicho potenciómetro se encuentra situado en el eje (4)
del motor (3), en el extremo opuesto a la válvula (1), fijado
mediante un accesorio de acoplamiento o soporte (7).
En el ejemplo de la invención que se está
describiendo, el potenciómetro (5) utilizado es un potenciómetro
multivuelta de alta resolución, que consiste en un arrollamiento de
espiral dentro de otro que sube o baja a medida que va girando, en
concreto este potenciómetro (5) es de 10 vueltas o 3600º, con una
resolución de 1º. Como se ha comentado anteriormente, copia y
retransmite la posición del eje (4) del motor (3), y por tanto del
vástago de la válvula (1), a un sistema de control. Dicha posición
del eje del motor (3) se transmite al potenciómetro (5) mediante un
sistema de transmisión a base de engranajes, sin
desmultiplicación.
Todos estos elementos mecánicos anteriormente
descritos están controlados mediante un circuito de control,
representando en la figura 2, que está formado por un
microprocesador (8) que realiza un programa de control de la
posición y que transmite las órdenes de movimiento a un circuito de
control y potencia de las bobinas del motor (3).
El microprocesador (8) recibe la configuración
del sistema mediante un conjunto de interruptores configurables
(9). La señal de control de posición (11), convertida a una señal
digital, es una de las entradas del sistema, que es comparada con
la señal (10) recibida desde el potenciómetro seguidor (5), para
ejecutar el algoritmo de corrección de la posición. La señal de
salida de este algoritmo se transmite digitalmente al controlador
micropaso (12) del motor (3) para corregir la posición. El sistema
puede ser además controlado y/o configurado externamente por una
señal digital (13), haciendo uso de comunicaciones digitales con el
microprocesador o microcontrolador (8). El circuito de control
cuenta además con entradas analógicas auxiliares, que pueden ser
utilizadas para una recopia de la posición o para otros fines
similares.
El controlador electrónico (12) permite el
posicionamiento de la válvula (1), posicionando a su vez el eje (4)
del motor (3), con precisiones superiores a 1º.
Según lo anteriormente expuesto, la unidad
resultante permite controlar el sistema con precisiones hasta ahora
no alcanzadas, velocidad de respuesta instantánea, rangeabilidades
amplias y fuerza suficiente como para posicionar la válvula (1)
frente a la presión ejercida por sistemas que trabajan a muy altas
presiones, lo que hace que sea un sistema óptimo para trabajar en
sistemas piloto para condiciones supercríticas a 400 bar de
presión.
También se han aplicado este tipo de válvulas de
control servoposicionadas en reactores de microactividad, en una
experiencia práctica se comprobó que para una alimentación de 50
Ncm^{3}/min de H_{2} y a una presión de 50 bar, el
comportamiento del sistema es excelente, la operación se ha resuelto
con una precisión de 50,0 \pm 0,1 bar que, precisamente, es la
precisión del elemento de medida. Y esto ha sucedido incluso cuando
el sistema, en función de su puesta en marcha, ha sufrido cambios
importantes, como son la estabilización de las temperaturas en la
caja caliente y en el reactor, la puesta en marcha de la bomba de
líquidos y el comienzo de la operación de salida de líquidos del
reactor. La precisión en la respuesta de la válvula con respecto a
la señal recibida del controlador sucede sin retraso de transporte
y esto posibilita la alta precisión observada en el control.
Claims (3)
1. Servoposicionador para válvula de
microrregulación, especialmente concebido para su aplicación en
sistemas de control que trabajen a alta presión y/o bajo caudal,
caracterizado porque está constituido por una válvula
micrométrica (1), unida mediante un acoplamiento flexible (2) al
eje (4) de un servomotor (3), que a su vez está acoplado, en el
extremo opuesto a la válvula (1), por medio de una pieza de
acoplamiento (7), a un potenciómetro (5) para conocer en todo
momento la posición de la válvula (1), copiando y retransmitiendo
la posición del eje (4) del motor (3), y por tanto del vástago de
la válvula (1), a un sistema de control digital que compara una
señal recibida desde un sistema externo de control y la posición de
la válvula (1) corrigiendo la posición de ésta mediante un
movimiento del motor (3).
2. Servoposicionador para válvula de
microrregulación, según reivindicación primera,
caracterizado porque el dispositivo incorpora un soporte (6)
que permite la fijación de la válvula (1) al motor (3) mediante un
acoplamiento flexible (2), facilitando con ello el avance y
retroceso del vástago de la válvula (1).
3. Serposicionador para válvula de
microrregulación, según reivindicaciones 1ª, caracterizado
porque el sistema de control consiste en un microprocesador (8) que
comparando la señal que recibe desde el potenciómetro (5) con una
señal de control de posición (11), transmite una señal de salida de
salida un controlador micropaso (12) corrigiendo así la posición
del motor (3) y por tanto de la válvula de microrregulación
(1).
Priority Applications (5)
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