Kitabı oku: «Neumatica e hidráulica»

2.3.9 Sistemas de acondicionamiento

Para regular el arranque, parada y el sentido así como la presión o el caudal del aire de los cilindros neumáticos, existen varios sistemas de accionamiento de las válvulas: manual, mecánico, eléctrico, hidráulico o neumático.

Los sistemas más utilizados son las válvulas distribuidoras, las válvulas antirretorno o de bloqueo, las válvulas reguladoras de presión y las reguladoras de flujo o de velocidad.

2.3.9.1 Válvulas distribuidoras

Las válvulas distribuidoras dirigen el aire comprimido hacia varias vías en el arranque, la parada y el cambio de sentido del movimiento del pistón dentro del cilindro. En la simbología de estas válvulas DIN-ISO 1219 (Internacional Standard Organization) y CETOP (Comité Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas), se utiliza la siguiente nomenclatura:

Tabla 2.6. Simbología de válvulas distribuidoras.

Válvula normal cerrada = No permite el paso del aire en posición de reposo. Si se excita (acciona), permite circular el aire comprimido.

Válvula normal abierta = En reposo el paso del aire está libre y, al excitarla (accionarla), se cierra.

Posición de partida = Movimiento de las partes móviles de una válvula al estar montada en un equipo y alimentarla a la presión de la red neumática.

Los cilindros accionados por las válvulas distribuidoras se representan con letras A, B, C, etc. Los sensores asociados de las posiciones inicial y final del vástago se representan con un código alfanumérico:

Cilindro A:

a0 = Final retracción (posición inicial vástago con el pistón completamente retraído).

a1 = Final extensión (posición final vástago con el pistón completamente extendido).

Cilindro B:

b0 = Final retracción (posición inicial vástago con el pistón completamente retraído).

b1 = Final extensión (posición final vástago con el pistón completamente extendido).

Para representar las funciones de las válvulas distribuidoras, se utilizan símbolos que indican el número de posiciones y de vías de la válvula y su funcionamiento. El número de posiciones viene representado por el número de cuadrados yuxtapuestos (o casillas) en cuyo interior se dibuja el esquema de funcionamiento, siendo las líneas el número de tuberías o de conductos, cuya unión se representa mediante un punto.

Las conexiones (entradas y salidas de la válvula) se representan por medio de trazos externos unidos al cuadrado o casilla. Los empalmes se identifican con letras mayúsculas.

Por ejemplo, la válvula distribuidora 5/2 tiene 5 vías y 2 posiciones, tal como puede verse en la función H de la figura 2.30a.

A, B son las tuberías de trabajo.

R y S los orificios de purga o escape

Z e Y tuberías de pilotaje

P la alimentación de aire comprimido

Esta simbología representada con el código numérico CETOP puede verse en la figura 2.27b con:

2, 4 son las tuberías de trabajo.

3 y 5 los orificios de purga o escape

14 y 16 tuberías de pilotaje

1 la alimentación de aire comprimido.

Fig. 2.30a. Símbolos básicos de las válvulas distribuidoras (DIN-ISO 1219).

Fig. 2.30b. Símbolos básicos de las válvulas distribuidoras (CETOP).

La casilla indica la posición de reposo de la válvula distribuidora, es decir la posición que ocupa cuando la válvula no está excitada. La posición inicial es la qué toma la válvula cuando se establece la presión o bien la conexión de la tensión eléctrica, y es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido. Las figuras 2.30a y 2.30b representan estos símbolos básicos según la norma DIN-ISO 1219 y el código numérico CETOP.

En la figura 2.31 se representa una válvula distribuidora 3/2 que dispone de 3 vías y 2 posiciones y acciona una válvula todo-nada y un cilindro de simple efecto. En las figuras 2.32 y 2.33 puede verse una válvula distribuidora 5/2 (5 vías, 2 posiciones) que acciona un cilindro de doble efecto. En la parte inferior de las figuras 2.31 y 2.32 figuran las válvulas distribuidoras y el cilindro representados en forma antigua, antes de la aparición de las normas ISO 1219 y CETOP.

Fig. 2.31. Válvula distribuidora 3/2 (3 vías, 2 posiciones) manual, actuando sobre válvula neumática todo-nada y cilindro con retorno por muelle (simple efecto).

Fig. 2.32. Válvula distribuidora 5/2 (5 vías, 2 posiciones) y cilindro de doble efecto.

Fig. 2.33. Válvula distribuidora 5/2 (5 vías, 2 posiciones) de simple y doble bobina. Fuente: Bosch.

Las válvulas de 4 vías y 2 posiciones (4/2) (Figura 2.34) son semejantes a las de 5 vías diferenciándose en que disponen de un solo orificio de escape, con lo cual sólo admiten una regulación de velocidad en la entrada y la salida del aire.

Fig. 2.34. Válvula distribuidora 4/2 (4 vías, 2 posiciones) accionando un cilindro de doble efecto.

Las válvulas neumáticas manuales suelen ser válvulas 4/3 (4 vías y 3 posiciones) accionadas manualmente mediante un pedal o una palanca perpendicular o rotativa (Figura 2.35).

Fig. 2.35. Válvula rotativa 4/3 (4 vías, 3 posiciones).

El accionamiento manual de la válvula se efectúa mediante un pulsador, una palanca, un pedal o un pedal con enclavamiento, y el accionamiento mecánico con una leva o un rodillo.

El accionamiento eléctrico se realiza por medio de bobinas de solenoide que en el caso de máxima seguridad están siempre alimentadas, para que ante un fallo en la alimentación eléctrica vayan a la posición de seguridad. De hecho, las válvulas de solenoide son válvulas distribuidoras 2/2 (2 vías, 2 posiciones) o 3/2 (3 vías, 2 posiciones), 4/2 (4 vías, 2 posiciones) y 5/2 (5 vías, 2 posiciones). Las válvulas de 5 vías son semejantes a las de 4 vías, diferenciándose en que disponen de orificios de escape separados para cada tubería de entrada. Y las válvulas distribuidoras 4/2 son una combinación de dos válvulas 3/2.

La válvula de solenoide se excita a través de un temporizador eléctrico, un final de carrera, presostatos, termostatos o mandos electrónicos. En general, el accionamiento eléctrico es el adecuado cuando las distancias de transmisión son muy largas y los tiempos de conexión cortos.

La curva característica (fuerza–carrera) permite determinar la fuerza generada por una bobina de solenoide en un cierto punto de la carrera como función del número de espiras. En la figura 2.36 puede verse la relación entre la fuerza y la carrera de una válvula de solenoide típica, así como el consumo de corriente alterna y continua en el arranque.

Fig. 2.36. Relación fuerza-carrera, intensidad-tiempo de una válvula de solenoide. Fuente: Burkert.

Al ser desexcitadas, las electroválvulas de un solo solenoide tienen el retorno del émbolo por muelle y se llaman monoestables, mientras que las electroválvulas de doble solenoide permiten que la válvula vaya de una posición a la otra mediante una señal eléctrica de impulso a la bobina opuesta (sistema biestable de doble pilotaje). De este modo permanecen en la posición deseada sin que sea necesario que la bobina esté excitada de forma permanente (el émbolo se queda inmóvil una vez desaparecida la señal de mando–función de memoria).

Fig. 2.37. Válvulas de solenoide.

Las válvulas de solenoide con rearme manual (Figura 2.37) se utilizan para prevenir un arranque inadvertido de la instalación después de presentarse una avería. Por ejemplo, su uso es común en la línea de combustible (gas natural o fueloil) de alimentación de una caldera de vapor. Si ésta se para por fallo de alguno de los elementos del circuito de enclavamiento, la válvula de solenoide se dispara y el operario debe rearmarla manualmente antes de poner de nuevo en marcha la caldera. La presión de accionamiento de las válvulas distribuidoras es de unos 6 bar (600 kPa). El margen de la presión de trabajo se encuentra entre 1,2 y 8 bar (120 a 800 kPa). El caudal nominal es de unos 100 l/min.

En las válvulas de solenoide de acción directa la diferencia de presiones entre la entrada y la salida disminuye al aumentar el diámetro de la válvula, ya que la fuerza generada por la bobina al conectarla a la corriente debe vencer la presión diferencial del fluido. Si la presión diferencial es grande, la fuerza ejercida por la bobina es pequeña comparada con dicha presión diferencial del fluido, y es necesario utilizar el aire de alimentación como fluido auxiliar para accionar el émbolo de la válvula a través de la válvula piloto de solenoide, es decir, la válvula de solenoide actúa como relé neumático de la señal. En estas válvulas con piloto electroneumático, la diferencia de presiones mínima debe estar comprendida entre 0,2 bar y 1 bar para que la válvula piloto trabaje correctamente Este tipo de válvulas consume menos corriente pero emplea más tiempo en la conmutación de posiciones.

Fig. 2.38. Válvulas de solenoide con accionamiento electroneumático. Acción directa, indirecta y doble solenoide y circuito electroneumático típico.

Los sistemas electroneumáticos permiten un alto grado de sofisticación y de flexibilidad. Controlan los cilindros mediante válvulas de solenoide y obtienen las señales de realimentación a través de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. Las funciones lógicas se obtienen por hardware o bien se programan en un PLC (Programmable Logic Controller).

Como información adicional, se indican en la tabla 2.7 los tiempos de respuesta del conjunto cilindro válvula distribuidora en un ciclo de trabajo.

Tabla 2.7. Tiempos de respuesta del conjunto cilindro válvula distribuidora en un ciclo de trabajo.

Kv y Cv representan la capacidad de caudal de la válvula distribuidora y se definen como:

Cv es el caudal de agua en galones USA por minuto (0,00378 m3/minuto) a la temperatura de 60 ºF (15,5 ºC) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi)(0,06894 bar).

Kv es el caudal de agua a 20 ºC en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de carga de 1 bar (105 Pa) (1,02 kg/cm2).

En la tabla 2.8 pueden verse los materiales de los cuerpos de las válvulas de solenoide, que son resistentes a la corrosión de fluidos industriales.

Tabla 2.8. Materiales resistentes a la corrosión de fluidos industriales en los cuerpos de las válvulas de solenoide. Fuente: Meter Paul.

Puede utilizarse una amplia variedad en las piezas que componen una válvula de solenoide, en particular en las electroválvulas para usos científicos en cromatografía, electromedicina, analizadores de gases, equipos dentales y controles de medio ambiente. En la tabla 2.9 puede verse una lista de estos materiales y sus compatibilidades.

Tabla 2.9. Materiales de partes internas de las válvulas de solenoide y su compatibilidad con los fluidos. Fuente: ASCO Scientific.

Tabla 2.10. Durabilidad de materiales neumáticos frente a detergentes de la industria alimentaria. Fuente: Henkel Ecolab.

En la industria alimenticia se aplican las normas:

ISO 14159: Machine Safety. Semejante a las normas europeas de alimentos:

ISO 8086/1986: Hygiene Regulations for Dairies. General guide on Inspection and Sampling.

EN Standards for Machines used in the Food Industry prEN 1672-2:

Food processing Machinery - Safety and hygiene requirements.

Existen los grupos de trabajo “European Hygienic Equipment Design Group” (EHEDG) y “Society of Food Hygiene Technology” (SFHT) de Inglaterra que velan por la higiene en el proceso de producción de los alimentos, indicando los materiales que están permitidos en la industria alimentaria y entre ellos los correspondientes a la automatización neumática. Los materiales neumáticos deben seleccionarse para su fácil limpieza utilizando detergentes. En la tabla 2.9 puede verse una guía de durabilidad de equipos neumáticos frente a detergentes empleados en la industria alimentaria.

En la tabla 2.11 pueden verse las averías típicas de las válvulas de solenoide.

Tabla 2.11. Averías típicas en válvulas de solenoide.

En el apéndice puede verse la simbología de las válvulas distribuidoras, de los cilindros, de los diversos tipos de accionamiento y de los accesorios.

2.3.9.2 Cálculo del C_v y Kv de las válvulas distribuidoras

Una vez seleccionada la válvula distribuidora, es necesario calcular su tamaño para que pueda accionar el cilindro en el tiempo adecuado tanto en un sentido de la carrera como en el contrario. El factor más importante es la capacidad de caudal (Cv o Kv) que indica el grado de resistencia que la válvula presenta al flujo de aire en el circuito neumático. En instalaciones críticas debe prestarse especial atención a la resistencia de los conectores y a los tubos que unen la válvula al resto de la instalación. Unos pocos centímetros adicionales de tubería o un conector incorrecto puede ser la diferencia entre que el circuito trabaje correctamente o no lo haga.

La práctica, utilizada en el pasado, de seleccionar la válvula distribuidora del mismo tamaño que los orificios del cilindro es errónea, ya que las válvulas distribuidoras poseen actualmente una gran capacidad de caudal comparada con los modelos que se fabricaban hace años. Además, son más rápidas de accionamiento, consumen menos potencia al utilizar bobinas solenoide de menor tamaño y son más baratas.

El factor Cv se define como:

«Caudal de agua en galones USA por minuto (0,00378 m3/minuto) a la temperatura de 60 ºF (15,5 ºC) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi) (0,06894 bar)».

Y el factor de caudal Kv (norma internacional IEC-534-1987) se define del siguiente modo:

«Caudal de agua a 20 ºC en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de carga de 1 bar (105 Pa) (1,02 Kg/cm2).

La equivalencia entre los coeficientes K_v y Cv es:

K_v = 0,853 C_v (m³/h)

C_v = 1,16 Kv (galones por minuto)

La fórmula que permite determinar los factores de capacidad de caudal (Cv o Kv) se deduce del modo siguiente.

Una válvula distribuidora, que de hecho puede considerarse como una válvula de control todo-nada, permite la circulación de un cierto caudal del fluido con una determinada pérdida de carga. Aplicando el teorema de Bernouilli en los puntos 1 y 2 de la figura 2.39, resulta:

Siendo: P₁ = Presión a la entrada de la válvula distribuidora

P₂ = Presión a la salida de la válvula distribuidora

ρ₁ = Densidad del fluido a la entrada de la válvula distribuidora

ρ₂ = Densidad del fluido a la salida de la válvula distribuidora

La densidad es la medida de la masa contenida en una unidad de volumen. Si el fluido es aire comprimido, la densidad dependerá de la presión, pero en condiciones normales de presión (1 bar) y de temperatura (20 ºC) es igual a 0,0012 g/cm³. Si el fluido es hidráulico (aceite) utilizado como transmisor de potencia, la densidad de un fluido típico es de 0,8753 (Equivalente API = 30).

Suponiendo fluidos incompresibles (líquidos) ρ₁ = ρ₂ = ρ₂ luego:

Fig. 2.39. Válvula distribuidora.

y como V₂ es mucho mayor que V1 queda:

en la que h = altura de presión entre la entrada y salida de la válvula, en m correspondiente a la diferencia de presión hidrostática equivalente.

Por otro lado, la forma de la válvula da lugar a una resistencia que disminuye la velocidad o el caudal. Luego ésta es:

Siendo	β = Coeficiente de resistencia (sin dimensiones) y <1
	V = Velocidad del fluido, en m/s
y como	q = sV
siendo	q = Caudal a través de la válvula, en m3/s
	s = Sección del orificio de paso, en m2
Resulta:
en la que:	Δp= Pérdida de carga en bar a través de la válvula
	ρ = Densidad del fluido, en kg/dm3

Como por definición el coeficiente o factor de la válvula K_v corresponde al caudal en m³/h para una pérdida de carga Δp = 1 bar y la densidad del agua a 20 ºC es de 1.000 kg/m³, o 1 kg/dm³, resulta:

fórmula que permite determinar el contorno del émbolo (obturador), ya que relaciona el caudal en función del área de paso.

Sustituyendo la fórmula anterior en (1), resulta:

Siendo: Q = Caudal máximo, en m³/h

ρ = Densidad, en kg/dm³ o g/cm³

Δp = Pérdida de carga, en bar para el caudal máximo

De la fórmula (2) se desprende que el coeficiente o factor de la válvula depende del área de paso y de la resistencia al paso del fluido, es decir, de la configuración hidráulica, del estado de las superficies interiores, del tipo de válvula, etc. Son tantas estas variables y tan compleja su variación que es prácticamente imposible fijar los valores de K_v sin recurrir a la experimentación.

La fórmula (3) puede aplicarse al aire sustituyendo la densidad ρ_s en las condiciones de servicio de presión y temperatura por la densidad en condiciones normales ρ_n (1 atmósfera = 1,013 bar y T_n = 273 ºC). De este modo, se verifica para la densidad y el caudal:

Por otro lado, la densidad ?_s en las condiciones de servicio está referida a la presión de servicio P_s. Según dónde se tome esta presión, la densidad variará, ya que al pasar el aire a través de la válvula sufre una pérdida de carga. Si se emplea la densidad anterior a la válvula, como la presión P₁ es mayor, resultará un valor menor en el Kv y la válvula será más pequeña. Si se utiliza la densidad aguas abajo, P₂ es menor, Kv será mayor y la válvula quedará sobredimensionada. Se considera la densidad efectiva a una presión intermedia , supuesto que ensayos efectuados confirman como válido.

Densidad del aire = 0,001293 Kg/m³

Esta fórmula puede aplicarse en los gases cuando la presión de entrada es muy próxima a la presión de salida, porque en estas condiciones el caudal Qs y la densidad G no varían apreciablemente.

Las válvulas distribuidoras y los cilindros neumáticos utilizan aire de modo que el valor de G es 1. Sin embargo, en casos especiales, por ejemplo en atmósferas que no pueden contener oxígeno, se utilizan otros gases (nitrógeno, etc.) y el valor de G correspondería a la densidad de este gas con relación al aire.

Existen gráficos para el cálculo del K_v, o del C_v que, si bien son aproximados, facilitan la determinación rápida del coeficiente de la válvula (Figura 2.40).

Fig. 2.40. Gráfico de determinación de Kv. Fuente: Jefferson Solenoid Valves USA.

Para el caso de una válvula distribuidora manejando aire de características:

Densidad relativa = 1

Presión de entrada = 6 bar

Pérdida de carga entre la entrada y la salida de la válvula = 0,25 bar

Caudal = 41,76 m³/h

Se obtiene K_v = 1,25 y como Cv = Kv * 1,16 resulta el valor de Cv = 1,45.

Como los gases son fluidos compresibles, pueden llegar a alcanzar una velocidad de saturación igual o próxima a la del sonido cuando pasan a través de la restricción que presenta la válvula distribuidora. La velocidad del gas aumenta a medida que crece la pérdida de carga, y la saturación se presenta cuando la presión posterior P2 baja aproximadamente a 50% o menos de la presión absoluta anterior P1, es decir, cuando la pérdida de carga Δp iguala o es mayor . En esta situación se dice que el gas está en condiciones de caudal crítico, y la fórmula anterior pasa a:

Por consiguiente, es difícil determinar exactamente el C_v de la válvula distribuidora cuando existen pérdidas de carga elevadas en el circuito. La Sociedad de Instrumentación ISA desarrolló una ecuación para los elementos de medición de caudal de diafragma, en la que incluye un coeficiente XT que tiene en cuenta los caudales críticos en los fluidos compresibles. Este coeficiente aplicado a las válvulas de solenoide varía entre 0,25 y 0,5. El valor más bajo corresponde a válvulas con tubos de conducción del aire tortuosos con grandes pérdidas de carga. La ecuación correspondiente es:

En la que:

Qn = Caudal estándar en pies³/minuto (scfm)

Y = Factor de expansión del gas con:

X = Pérdida de carga sin dimensiones,

XT = Coeficiente de caudal (0,25 a 0,5 en válvulas de solenoide)

C_v = Coeficiente Cv para fluidos incompresibles

Pup = Presión anterior en psia (psi absolutos)

Δp = Pérdida de carga en psi

Tup = Temperatura anterior en grados Farenheit

SG = Densidad del gas con relación al aire (aire = 1)

Esta ecuación refleja realmente las condiciones de caudal crítico y es de interés cuando se desea una gran exactitud en el cálculo del C_v y en la selección del tamaño de la válvula distribuidora en el caso de existir grandes pérdidas de carga en el circuito.

Ejemplo de cálculo del Kv o del Cv de una válvula distribuidora que acciona un cilindro de simple efecto.

Datos:

Diámetro interior del cilindro = 250 mm = 0,25 m

Carrera del cilindro = 0,6 m

Tiempo del recorrido en la carrera de extensión del cilindro = 2,5 segundos

Tiempo de retorno = 2 segundos

Diámetro del vástago = 50 mm = 0,05 m

Presión del aire = 6 bar

Pérdida de carga a través de la válvula distribuidora = 0,25 bar

Temperatura del aire de entrada = 15 ºC

Resolución:

El C_v a seleccionar será 1,34, si bien raramente coincidirá con el Cv comercial del fabricante, de modo que se elige el tamaño inmediatamente superior de C_v = 1,4 que corresponde a una válvula distribuidora 3/2 de 3/8”.

Tabla 2.12. C válvula distribuidora 3/2 (3 vías, 2 posiciones). Fuente: Parker Hannifin Corporation.

Utilizando el gráfico de la figura 2.40 para el ejemplo anterior, se obtiene el valor K_v = 1,25 (Cv = 1,45) y se selecciona el valor Cv = 1,4, ya que el siguiente valor de C_v es 2,7 que está muy alejado del de 1,4.

2.3.9.3 Accesorios de las válvulas distribuidoras

La válvula de lanzadera (shuttle) permite una evacuación rápida del aire de los cilindros y de las tuberías de conexión, con lo que aumenta considerablemente la velocidad del pistón, ahorrando largos tiempos de retorno, especialmente si se trata de cilindros de simple efecto.

Fig. 2.41. Válvula de lanzadera (shuttle) acoplada a un cilindro de simple efecto.

Normalmente se monta directamente en la toma de presión del cilindro. En la figura 2.41 puede verse que al presionar la válvula distribuidora 3 (3/2), el aire comprimido de alimentación P sale de A hacia la válvula de lanzadera 2, con lo cual el obturador (bola) cierra el escape R. En la secuencia de escape, al liberar la válvula 3, el aire de P de la válvula 2 queda bloqueado por el obturador (bola), de modo que el aire del cilindro escapa directamente por el orificio R que tiene una gran sección para facilitar la salida rápida del aire. Si la instalación no incorporara la válvula de lanzadera 2, el aire de escape del cilindro debería pasar posiblemente por conductos largos y estrechos que comunican con el escape R de la válvula distribuidora 3, lo que daría lugar a una mayor pérdida de carga y, por tanto, a un mayor tiempo de carrera del pistón.

La válvula de seguridad (Figura 2.42) actúa cuando la presión P alcanza un valor ajustado con un resorte, comunicando P con el escape R. La válvula permanece abierta hasta que la presión disminuye por debajo del valor ajustado y entonces la acción del resorte vence la presión P y cierra el paso. Pueden considerarse como válvulas limitadoras de presión, ya que impiden la elevación de la presión máxima en el circuito.

Fig. 2.42. Válvulas de seguridad.

Las válvulas de bloqueo (Figura 2.43) cortan el paso del aire comprimido y están diseñadas de tal manera que el propio aire comprimido actúa sobre el obturador reforzando el efecto de cierre. Se utilizan para obtener posiciones intermedias del pistón o como función de seguridad.

Fig. 2.43. Válvula de bloqueo.

La válvula de control de caudal se utiliza para regular la velocidad de los pistones de los cilindros neumáticos. Consiste en una restricción regulable y una válvula antirretorno (retención), que sólo deja pasar el flujo de aire en un solo sentido, mientras que en el sentido contrario el aire fluye con una mínima pérdida de presión. La obturación se obtiene mediante un cono, una bola, un disco o una membrana y el cierre puede ser por contrapresión, por ejemplo mediante un resorte, de modo que la válvula cierra cuando la presión de salida es igual o mayor que la de entrada.

De este modo, según se ve en la figura 2.44, la entrada de aire comprimido cierra la válvula de bola y circula a través de la válvula de control, con lo que el pistón se mueve lentamente, mientras que en la fase de retroceso del pistón el aire se escapa directamente por la válvula de bola al estar ésta abierta por la presión del aire.

Fig.2.44. Válvula de control de caudal.

La válvula antirretorno de control de caudal (Figura 2.45) es una válvula antirretorno o de retención en la que, aparte de bloquear un solo sentido de paso mediante un diafragma elástico (o una bola), facilita el control del caudal del aire al variar el área de paso mediante una estrangulación y, por tanto, controla la velocidad del pistón cuando el aire circula en el otro sentido.

Fig. 2.45. Válvula antirretorno (retención) de control de caudal.

Pueden utilizarse para limitar de forma controlada el caudal de alimentación y el de escape (Figura 2.46).

Fig. 2.46. Regulación de velocidad por limitación del caudal de alimentación y el de escape en cilindros de simple y doble efecto.

En la limitación del caudal de alimentación, la válvula antirretorno estrangula el aire que va al cilindro y deja escapar libremente el aire de escape por la bola. De este modo, el cilindro se va llenando poco a poco y cualquier cambio de carga repercute desfavorablemente en la velocidad del pistón.

En la limitación del caudal de escape, el aire de alimentación entra libremente en el cilindro y se estrangula el aire de escape, lo que es muy favorable en la fase de avance del pistón, utilizándose mucho en cilindros de doble efecto.

.

Fig. 2.47. Bloque de mando de funciones combinadas.

Las válvulas de funciones combinadas reúnen las diversas funciones que pueden realizar las válvulas distribuidoras y sus accesorios incorporándolas en un único bloque. En la figura 2.47 puede verse un bloque compuesto por 1 válvula distribuidora 5/2 , 2 válvulas distribuidoras 3/2, 2 válvulas selectoras de circuito y 2 válvulas reguladoras de caudal. El bloque de mando permite efectuar movimientos individuales o alternativos.

El purgador de condensado de las tuberías suele ser un flotador que permite el paso del agua y cierra si no hay condensaciones en las tuberías (Figura 2.48).

Fig. 2.48. Purgador de condensado. Fuente FESTO WA-2.

El silenciador de escape y filtro (Figura 2.49) se utiliza básicamente en los orificios de escape de las válvulas distribuidoras para reducir el ruido del escape de aire y evitar la entrada de aceite o de polvo o de suciedad. Un modelo representativo reduce el ruido originado por el aire de alimentación a 6 bar y 5 m³/minuto, desde 99 dBA a 75 dBA a la distancia de 3 m. El filtro normal es de 40 micras, que es adecuado para la mayor parte de los equipos neumáticos.

Fig. 2.49. Filtro-silenciador.

2.3.9.4 Accesorios de los cilindros

2.3.9.4.1 Sensores de posición del cilindro

La detección de la posición del cilindro es necesaria para asegurar la operación segura de la maquinaria neumática. En los casos simples basta visualizar la posición del vástago del pistón del cilindro para comprobar si el pistón está al principio o al final de su carrera. Sin embargo, en operaciones realizadas en máquinas complejas no es práctico esperar que los operarios estén vigilantes, y más si es en períodos prolongados de funcionamiento.

Para detectar la posición y la velocidad de un pistón en el cilindro se dispone de los siguientes aparatos:

1.Interruptores de final de carrera e interruptores automáticos.

2.Sistemas de posicionamiento secuencial.

3.Posicionadores.

2.3.9.4.2 Finales de carrera

Son interruptores mecánicos, magnéticos, neumáticos y electrónicos accionados bien mecánicamente o bien por un campo magnético creado por un imán montado en el pistón. Se montan en los cilindros para determinar la posición del final de carrera del pistón o bien la posición en un punto intermedio de la carrera del pistón.

El sensor mecánico (Figura 2.50) dispone de unos gatillos que cierran (o abren) un microrruptor. Se montan en los cilindros para determinar la posición del final de carrera del pistón.

Fig. 2.50. Sensor mecánico-eléctrico de final de carrera. Fuente MDC.

El sensor magnético incorpora un imán en el pistón que crea un campo magnético a través de las paredes del cilindro (material de aluminio normalmente). Este campo es captado por un imán exterior del sensor cuya posición puede ser el final de carrera del pistón o un punto intermedio (Figura 2.51).

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Fig. 2.51. Sensor magnético de cilindro (reed switch).

El sensor Hall es un transductor que varía su tensión de salida al cambiar la densidad del campo magnético, por lo que puede utilizarse en la medida del movimiento y posición de un pistón magnético en el cilindro neumático. Al no tener partes móviles, tiene una vida útil larga si se compara con los interruptores mecánicos.

El sensor neumático consiste en un pistón magnético en el cilindro que actúa sobre una válvula 3/2 (3 vías, 2 posiciones). La exactitud del punto de conmutación es del orden de ± 0,2 mm. Otro modelo es un presostato neumático accionado por la presión de aire del pistón en un punto de su carrera (suele ser al final de su carrera). En la figura 2.52 pueden verse estos modelos de sensores.

Fig. 2.52. Sensor neumático (Válvula 3/2 y presostato).

El sensor electrónico de estado sólido es parecido al sensor magnético. Al captar el campo magnético de un imán del pistón, excita un transistor (interruptor electrónico) que da una señal eléctrica de salida. Como no tiene partes móviles y es de construcción robusta, su vida útil es unas 5 veces superior a la del sensor magnético. Disponen de 3 hilos NPN (conmutación negativa) y PNP (conmutación positiva) o bien de dos. Su corriente de carga arranca desde 0 mA, por lo que pueden utilizarse con PLC u otros aparatos con un bajo consumo de corriente.

Fig. 2.53. Sensor electrónico. Fuente SMC.

2.3.9.4.3 Unidad de bloqueo del cilindro

La unidad de bloqueo del cilindro inmoviliza el vástago del cilindro cuando la presión de aire desciende de un valor determinado. Su función es de seguridad, con objeto de impedir el movimiento del cilindro cuando la presión del aire baja de un determinado límite. Puede actuar en el interior o exterior del cilindro y sobre el vástago en el sentido de retracción o extensión. En la figura 2.54 pueden verse estos tipos de instalaciones y algunos circuitos típicos.

Fig. 2.54. Unidad de bloqueo del cilindro. Fuente: Hoerbiger-Origa.

2.3.9.4.4 Sistemas de posicionamiento secuencial

La lectura de la carrera se realiza cuando es necesario detectar el movimiento del cilindro, la medida de la distancia o un movimiento secuencial exacto del cilindro. En particular, se utilizan estos sistemas cuando es necesario comprobar la presencia o la orientación correcta de un componente, la medida de la profundidad de un orificio o bien medir las dimensiones del componente y comprobar que estas dimensiones son las correctas.

Por ejemplo, en la figura 2.55 puede verse un circuito neumático con un cilindro dotado de freno que permite posicionar el cilindro a media carrera y después pararlo. Un cilindro sin vástago (rodless) dispone de un carro móvil en lugar del vástago del pistón, y este carro se utiliza para recoger y posicionar piezas, controlar su nivel para realizar operaciones de mecanizado y posicionar piezas.

Fig. 2.55. Circuito neumático con posicionamiento secuencial.

El movimiento del vástago se detecta mediante varios métodos basados en la variación de una resistencia magnética al moverse el pistón del cilindro. Estos métodos son:

– Sensor potenciométrico.

– Transformador diferencial lineal (LVDT).

– Sensor magnetoestrictivo.

– Sensor inductivo.

El sensor potenciométrico consiste en una resistencia con un cursor deslizante (LRT, Linear Resistive Transducer, transductor resistivo lineal) que produce una tensión variable en la salida de acuerdo con su posición dentro del cilindro. La variación de resistencia con la carrera es aproximadamente de 39,3 kΩ/mm (1 kΩ/pulgada) y la señal analógica de salida para toda la carrera es de 0–10 V. cc.

En un controlador digital de 12 bit la carrera puede dividirse en 4.096 partes, de tal modo que en un cilindro de 2.540 mm (10 pulgadas), el mínimo valor detectable es de 10 V/4.096 = 0,0024 V = 2,4 mV que equivale a 0,062 mm (0,0024”).

Fig. 2.56. Sensor potenciométrico.

La linealidad, es decir, la desviación de la tensión de salida con relación a una línea recta es típicamente de ± 1% de toda la carrera. En el ejemplo anterior sería de 25,4 mm equivalente a 1”.

La repetibilidad, es decir, la característica de repetir la misma señal de salida de tensión para cada posición del pistón es del orden del ± 0,025 (± 0,001”).

El transformador diferencial lineal (LVDT) es un sensor de posición lineal que produce señales de salida eléctricas analógicas proporcionales a la posición de un núcleo sólido cilíndrico. Consiste en un elemento fijo formado por un arrollamiento primario centrado entre un par de arrollamientos secundarios y un elemento móvil (núcleo de hierro-níquel de alta permeabilidad) unido al pistón del cilindro y que está situado en el interior del elemento fijo y sin contacto con él.

Fig. 2.57. Transformador diferencial lineal (LVDT).

El primario se excita con una corriente alterna y la señal de salida es una tensión alterna que es la diferencia de la obtenida en los dos arrollamientos del secundario. Esta señal de salida varía con la posición axial del núcleo de hierro-níquel y es convertida a una señal estándar de 0–10 V o de 4–20 mA cc.

Fig. 2.58. Señal de salida del sensor LVDT.

Estos sensores tienen la ventaja de que están libres de rozamientos con una respuesta dinámica limitada sólo por la inercia del núcleo, poseen una vida mecánica larga y pueden medir pequeñísimos movimientos del núcleo (millonésimas de mm) y posiciones del núcleo de hasta 50 mm.

El sensor magnetoestrictivo utiliza el fenómeno de la magnoestricción en el que hilos de ciertas aleaciones (normalmente aleaciones de níquel) se deforman en presencia de un campo magnético. Midiendo el tiempo que se tarda en enviar una señal eléctrica a través de un hilo magnoestrictivo deformado, se puede determinar la posición del pistón del cilindro.

Estos sensores son muy exactos y, al no estar en contacto con el cilindro, poseen una duración mucho mayor. Sin embargo, su coste es elevado por lo que se emplean con preferencia en aplicaciones X-Y de dos dimensiones cuando es preciso saber exactamente la posición en un plano.

Fig. 2.59. Sensor magnetorresistivo.

– El sensor magnetorresistivo (Figura 2.59) es parecido al magnetoestrictivo, con la diferencia de que cambia la resistencia de una cinta conductora en función de la dirección y magnitud del campo magnético aplicado.

Los sensores inductivos se basan en el principio de inducción magnética de modificación de la inductancia causada por la presencia de un objeto metálico. El sensor incorpora un núcleo de hierro magnético con una bobina arrollada que actúa como un circuito oscilante y está acoplado en serie con una bobina de referencia.

Un imán permanente está fijado al pistón del cilindro neumático y es el elemento indicador de posición. El equilibrio electromagnético entre el elemento sensor y el circuito oscilante cambia la frecuencia de la oscilación y provoca un desfase, de modo que puede detectarse con facilidad la posición del imán. La señal de salida representa la posición del pistón dentro del cilindro y puede ser analógica y digital con protocolos RS232, RS422 y RS485. La exactitud es del 0,3% (0,1 mm).

Otros sensores lineales son:

– Sensores capacitivos, que se basan en la modificación de la capacidad debida a la presencia de la pieza y sirven para detectar todo tipo de objetos, siempre que su constante dieléctrica sea sensiblemente superior a la del aire. Tienen el inconveniente de ser muy sensibles a las condiciones ambientales.

– Sensores de fibra óptica, que utilizan dos fibras ópticas adyacentes que transportan luz a un blanco en el cilindro y reciben la luz reflejada, del objeto. Por diferencia de tiempos entre la luz enviada y la reflejada determinan la posición de la pieza con relación a un punto de referencia.

– Los sensores fotoeléctricos utilizan haces de luz reflejada para medir distancias o desplazamientos. Un funcionamiento parecido poseen los sensores láser.

– Los sensores ultrasónicos reflejan señales acústicas y calculan la distancia basándose en el tiempo de retorno de la señal y en la medida de la propagación de la velocidad en el medio.

En la tabla 2.13 puede verse una comparación de características de los sensores:

Tabla 2.13. Comparación de características de los sensores. Fuente: Macro Sensors.

2.3.9.4.5 Posicionadores

En las aplicaciones en que interesa situar el vástago de una válvula de control o el vástago del pistón de un cilindro en posiciones determinadas de forma controlada, es posible que el control sea errático e incluso inestable debido a las fuerzas de desequilibrio. Son esencialmente la fuerza de rozamiento del vástago o el pistón y la fuerza estática del fluido sobre el obturador (o sobre el pistón) que depende de la presión diferencial existente.

Estas fuerzas pueden compensarse empleando el posicionador, que es básicamente un controlador proporcional de posición con punto de consigna procedente del controlador, variable entre 0,2-1 bar (3 a 15 psi) en señales neumáticas (posicionador neumático) o 4-20 mA cc en señales electrónicas (electroneumático), o bien señales digitales (digitoneumático).

El posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago y, si ésta no es correcta (existe una señal de error), envía aire al servomotor o bien lo elimina en el grado necesario para que la posición del vástago corresponda exactamente o bien sea proporcional a la señal neumática recibida; en este último caso, el posicionador actúa además como un amplificador; por ejemplo, señal de entrada 0,2-1 bar (3-9 psi), señal de salida 0,2-1 bar (3-15 psi), es decir, la válvula efectuará toda su carrera para la señal 3-9 psi del controlador.

El posicionador neumático es generalmente un instrumento neumático de simple acción del tipo de equilibrio de fuerzas (Figura 2.60). La fuerza ejercida por un resorte de margen, comprimido por una leva unida al vástago de la válvula, se equilibra contra la fuerza con que actúa un diafragma alimentado neumáticamente por un relé piloto. Cualquier aumento de la señal de salida del controlador de la variable cambia la señal neumática del piloto, flexa el obturador A y permite la entrada de más aire a la cámara de la válvula. Al bajar el vástago, la nueva fuerza ejercida por el resorte de margen se equilibra con la ejercida por el diafragma del posicionador alimentado por el relé piloto.

Fig. 2.60. Posicionador. Fuente Honeywell.

Por el contrario, al disminuir la señal exterior, baja la señal del relé piloto y el obturador de escape B abre permitiendo el escape de aire de la cámara de la válvula hacia la atmósfera; sube así el vástago hasta que se equilibran de nuevo las fuerzas.

La forma de la leva determina la relación entre la señal de entrada y la posición del vástago y puede cambiar por completo la curva característica inherente de la válvula.

El posicionador neumático dispone normalmente de tres manómetros para indicar las presiones del aire de alimentación, de la señal procedente del controlador y de la señal de salida del posicionador a la válvula. Dispone también de una válvula by-pass que permite la conexión directa entre la señal procedente del controlador y la válvula. De este modo es posible desconectar el posicionador para una eventual reparación en campo sin necesidad alguna de interrumpir el trabajo de la válvula. El posicionador puede también cambiarse fácilmente de acción, de directa a inversa o viceversa, permitiendo así combinaciones entre el controlador y la válvula.

El posicionador de doble acción (Figura 2.61) puede actuar sobre cilindros neumáticos o cámaras de válvula con señales dirigidas a la parte superior e inferior del pistón o del diafragma respectivamente. Se llega a una posición de equilibrio cuando estas presiones son iguales.

Fig. 2.61. Posicionador de doble acción.

Cuando la señal del controlador es electrónica o digital, el propio posicionador puede contener un convertidor para pasar a señal neumática (Figura 2.62).

Fig. 2.62. Posicionador electroneumático y digitoneumático. Fuente Honeywell.

En el posicionador electroneumático el transductor es del tipo de equilibrio de fuerzas, y varía su presión de salida hasta que la fuerza producida por el sistema de realimentación equilibra la fuerza generada por la bobina electromagnética. Puede verse en la figura que la bobina está excitada por la señal de corriente del controlador (4-20 mA c.c.) y que la señal de salida neumática es siempre proporcional a la señal electrónica. Su consumo de aire es de un 30% a 40% menor que en los posicionadores neumáticos y es más resistente a las vibraciones.

En otro modelo de posicionador (Figura 2.63) acoplado a una válvula de control (o bien puede acoplarse a un cilindro de simple efecto), un detector de posición (potenciómetro lineal con vástago de acoplamiento externo o potenciómetro giratorio con eje de acoplamiento) del vástago del pistón envía su señal al cuerpo del posicionador que actúa sobre dos válvulas de solenoide permitiendo la salida o entrada del aire en la parte inferior del cilindro hasta que la posición del vástago corresponde con la señal del controlador.

En el posicionador se puede establecer una relación lineal o logarítmica entre la señal de control y la posición del actuador (vástago del pistón en un cilindro neumático). Asimismo, el actuador puede moverse en un sentido o en otro ante un aumento en la señal eléctrica (4-20 mA c.c.) sea por el propio posicionador o bien intercambiando las conexiones del cilindro.

Fig. 2.63. Posicionador electroneumático. Fuente Bürkert.

En la figura 2.64. puede verse un posicionador acoplado a un cilindro.

Fig. 2.64. Cilindro con posicionador. Fuente Centork S.L.

2.3.10 Dispositivos hidroneumáticos

Los sistemas neumáticos tienen el inconveniente de la compresibilidad del aire, lo que causa problemas a bajas velocidades de los elementos móviles. Se presentan discontinuidades en el movimiento, aumentan las sacudidas y los tirones y no puede mantenerse una velocidad de avance uniforme entre el principio y el final de carrera del pistón.

Este fenómeno no se presenta en los dispositivos hidráulicos gracias a la incompresibilidad del aceite, por lo que se emplean dispositivos hidroneumáticos que permiten convertir la presión neumática en hidráulica y que complementan los sistemas neumáticos.

Los principales dispositivos hidroneumáticos son los convertidores oleoneumáticos y los intensificadores de presión.

El convertidor oleoneumático transforma la presión de un medio en una presión equivalente en otro (pasa presión de aire a presión de aceite). Consiste en un circuito cerrado de aceite (cilindro y pistón) que se monta en paralelo con el cilindro neumático, y de este modo se consigue un movimiento lento uniforme en el desplazamiento del pistón neumático. En la figura 2.65 puede verse que cuando el cilindro neumático empieza a moverse por la acción del aire que entra en la cámara izquierda, arrastra el émbolo del cilindro hidráulico, quien a su vez desplaza el aceite a través de una válvula antirretorno y de un regulador de velocidad (válvula de estrangulación o de control de caudal). De este modo la velocidad se mantiene constante en un valor que puede regularse mediante el restrictor, en el sentido de izquierda a derecha.

Fig. 2.65. Convertidor oleoneumático.

En la carrera de retorno (de derecha a izquierda) el aceite fluye libremente a través de la válvula antirretorno y el pistón se desplaza con rapidez. Pueden regularse velocidades entre 30 y 6.000 mm/minuto. La velocidad también puede regularse en el retorno si se incorpora al circuito una segunda válvula antirretorno y de estrangulación que actúa de freno en la carrera de retorno. Las pequeñas pérdidas que pueden producirse en el circuito de aceite, por la formación de una película sobre el vástago del cilindro, se reponen mediante un depósito de aceite incorporado al circuito.

El intensificador de presión, conocido también como booster (repetidor), convierte la baja presión y caudal elevado de un fluido (aire, aceite o fluido hidráulico) a la alta presión y bajo caudal de otro fluido (aire, aceite o fluido hidráulico). Existen tres clases de intensificadores: aire-aceite, aceiteaceite y aire-aire.

El típico intensificador, aire-aceite, dispone de un pistón neumático de gran diámetro conectado rígidamente a un pistón de aceite de pequeño diámetro y combina las ventajas de los cilindros neumáticos e hidráulicos en un solo sistema. Mientras que el aire, al ser compresible, no proporciona precisión en el movimiento del pistón del cilindro neumático, el aceite es incompresible y facilita por tanto un movimiento preciso para la operación de los actuadores.

Fig. 2.66. Intensificador de presión.

La presión del aire está limitada a unos 12 bar, mientras que el aceite puede trabajar a presiones de 250 bar o superior. De este modo, se transforma una pequeña presión de aire en una gran presión de aceite.

Por otro lado, el nivel de potencia del intensificador es constante, es decir, al disminuir el caudal de salida aumenta la presión de la salida. Puede compararse a un transformador eléctrico donde el producto Tensión * Intensidad = Constante.

Paire * Área pistón aire * Carrera pistón aire = Paceite * Área pistón aceite

Como los pistones de aire y aceite están unidos por el mismo eje, las carreras son iguales, de modo que:

O sea: