Principios de funcionamiento de las válvulas piezoeléctricas y su aplicación en los localizadores inteligentes de válvulas

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Los componentes neumáticos de los localizadores de válvulas inteligentes suelen estar formados por un conversor electro-neumático y un amplificador neumático. Los conversores eléctrico-neumáticos utilizan principalmente dos tipos de tecnologías: la tecnología de válvulas piezoeléctricas, que se basa en el efecto piezoeléctrico de cristales con estructura asimétrica; estas válvulas suelen recibir señales digitales (pulsos eléctricos) para generar una salida neumática de dos estados ； La tecnología de convertidores I/P, basada en principios electromagnéticos y en mecanismos de boquillas/palancas neumáticas, generalmente recibe señales eléctricas analógicas para generar una salida neumática continua. Los posicionadores inteligentes de válvulas SIPARTPS SP2 de Siemens en Alemania y ND9000 de NelesMetso en Estados Unidos, utilizan convertidores electro-neumáticos con estructura de válvula piezoeléctrica ； Por su parte, los posicionadores de válvulas como el DVC6000 de Fisher en Estados Unidos, el SAM-SON373X de Alemania y el SVP3000 de ABB en Japón, utilizan convertidores electro-neumáticos con estructura de deflector de boquilla. Los conversores eléctrico-neumáticos de estas dos estructuras representan la tendencia actual en los localizadores inteligentes a nivel internacional. La válvula piezoeléctrica es un tipo de válvula de control innovadora que utiliza el efecto piezoeléctrico de los materiales piezoeléctricos para hacer funcionar la válvula. Posee ventajas como alta precisión, respuesta rápida, bajo consumo energético, larga vida útil y estructura compacta. Se presenta la estructura y el funcionamiento de varios tipos de válvulas piezoeléctricas que se utilizan con frecuencia, así como la estructura del sistema de tuberías de los posicionadores inteligentes de válvulas que incorporan válvulas piezoeléctricas. Se utiliza como ejemplo el posicionador inteligente de válvulas SIPART SP2 de Siemens para explicar el principio de funcionamiento de los posicionadores inteligentes de válvulas que emplean tecnología piezoeléctrica. 1. Estructura y principio de funcionamiento de la válvula piezoeléctrica: yunrun.com.cn/tech/2210.html. La válvula piezoeléctrica funciona según el principio del efecto piezoeléctrico inverso. Posee ventajas notables como un bajo consumo energético y una baja potencia de alimentación (la corriente necesaria para su funcionamiento es de solo 10 mA), además de ser compacta, tener una respuesta rápida y ser muy duradera. También es fácil de digitalizar completamente en términos de su sistema de posicionamiento. Actualmente, los componentes piezoeléctricos que se utilizan en los actuadores neumáticos de los posicionadores inteligentes de válvulas son, en su mayoría, producidos por la empresa alemana Hoerbiger. Se emplean principalmente válvulas piezoeléctricas de la serie P9 y componentes de válvulas piezoeléctricas de la serie P20. Los componentes piezoeléctricos utilizados en el PS2 de Siemens también son fabricados bajo pedido para Hoerbiger. Tomando como ejemplo la válvula piezoeléctrica de la empresa Holbig, se presenta su estructura y principio de funcionamiento. ①Válvula piezoeléctrica de tipo de acción directa. El principio de funcionamiento de la válvula piezoeléctrica se basa en la deformación del material piezoeléctrico bajo la acción de un campo eléctrico, lo que permite abrir y cerrar la entrada de aire de la válvula neumática. La estructura de la válvula de conmutación de tipo directo en miniatura se muestra en la Figura 1: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160037223794.png. Figura 1: Estructura y principio de funcionamiento de la válvula piezoeléctrica de tipo directo. La pieza curva que se encuentra en el centro de la válvula piezoeléctrica está compuesta por un material piezoeléctrico. La estructura de la pieza piezoeléctrica consiste en un cristal piezoeléctrico formado por dos láminas metálicas elásticas y extremadamente delgadas unidas entre sí. En las dos superficies activas de la pieza piezoeléctrica se aplica un recubrimiento por vacío para crear dos electrodos. Se aprovecha la deformación que experimenta la pieza piezoeléctrica bajo la acción de un campo eléctrico, con el fin de lograr la conmutación de un interruptor de dos posiciones en los circuitos neumáticos de pequeño tamaño. Cuando el cristal piezoeléctrico no está conectado a una fuente de alimentación, la abertura de entrada de aire comprimido 1 se cierra. La abertura de salida 2 queda conectada con la abertura que permite la comunicación con la atmósfera 3. La presión en la salida es igual a la presión atmosférica; en otras palabras, la válvula está cerrada ； Cuando se aplica corriente eléctrica al cristal piezoeléctrico, el cristal de la capa superior se contrae, mientras que el cristal de la capa inferior se estira. La deformación mecánica resultante es de unas decenas de micrómetros. Los orificios 3 se cierran, y el aire comprimido fluye desde el orificio 1 hacia el orificio 2, generando así una señal de presión, lo que equivale a que la válvula está abierta. La curvatura de la pieza piezoeléctrica está relacionada con la tensión de entrada; el tiempo de respuesta es inferior a 2 ms. La tensión de histeresis para el funcionamiento del interruptor de dos posiciones es de aproximadamente 4 V. Las válvulas piezoeléctricas también pueden fabricarse con salida proporcional, pero debido a que existen grandes desviaciones en su funcionamiento (la diferencia de voltaje entre los estados de apertura y cierre es de aproximadamente 2 V), rara vez se utilizan en las partes neumáticas de los reguladores inteligentes de válvulas. ②Válvulas piezoeléctricas con amplificación de potencia: Las válvulas piezoeléctricas de tipo directo permiten la conversión de señales eléctricas en señales de aire. Sin embargo, en los posicionadores de válvulas es necesario amplificar las señales de aire para poder accionar el mecanismo de control de la válvula. Para resolver este problema de amplificación de las señales de aire, los fabricantes han desarrollado válvulas piezoeléctricas con amplificación de potencia. La estructura interna y el principio de funcionamiento de las válvulas piezoeléctricas de la serie P20 se muestran en la Figura 2: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160050443785.png. La Figura 2 muestra la estructura y el principio de funcionamiento de las válvulas piezoeléctricas de tipo directo. La P20 está compuesta por una placa piezoeléctrica de tipo directo P9, un amplificador neumático (formado por una cámara de aire, una membrana y un núcleo de válvula), un reducido de presión y un filtro, entre otros componentes. La estructura de la vía de aire es similar a la de una válvula electromagnética de dos vías y tres posiciones; cuenta con una entrada de aire, una entrada para el aire que llega desde el actuador y una salida de aire (que conecta con la atmósfera). La tensión de funcionamiento es de 24 VDC, el tiempo de respuesta es inferior a 20 ms, la presión del gas es de 120-800 kPa y el caudal máximo de gas es de 7,8 Nm3/h. En la Figura 2, el lado izquierdo muestra el estado de la línea de gas cuando no hay alimentación eléctrica, mientras que el lado derecho muestra su estado cuando sí hay alimentación eléctrica. Cuando la válvula piezoeléctrica recibe corriente eléctrica, las piezas piezoeléctricas se activan y permiten que el gas, ya despresurizado y filtrado, llegue a los orificios de salida de la válvula piezoeléctrica de tipo directo. La señal de gas actúa sobre la membrana del amplificador neumático, lo que hace que la válvula principal se abra. De esta manera, la señal de gas pasa a través del elemento de control de la válvula principal y llega a la entrada de aire 2. A continuación, la señal es enviada al actuador, lo que hace que la válvula se mueva, mientras que la salida de aire se cierra. Cuando la válvula piezoeléctrica pierde alimentación eléctrica, las placas piezoeléctricas se activan y cierran los orificios de entrada de aire. Al mismo tiempo, los orificios de salida de aire se conectan entre sí. El gas que se encuentra en la cámara del amplificador neumático es expulsado a través de los orificios de escape. La membrana del amplificador neumático vuelve a su posición original bajo la acción de los muelles de la válvula principal; esto hace que el elemento de control de la válvula principal se cierre. Los orificios de entrada y salida de aire de P20 se conectan, y el gas que se encuentra dentro del actuador es expulsado a través de esos orificios. La válvula, al no recibir presión de aire, se mueve en la dirección opuesta, gracias a la acción de los muelles. La válvula piezoeléctrica con amplificación de potencia es, estructuralmente, una combinación de una válvula piezoeléctrica de tipo directo y un amplificador de señales neumáticas. Permite realizar la conversión de señales eléctricas en señales neumáticas, además de amplificar la potencia de las señales neumáticas. Esto facilita el diseño y fabricación de localizadores inteligentes para válvulas. Por lo tanto, las válvulas piezoeléctricas con amplificación de potencia se utilizan ampliamente en el control del sistema neumático de los localizadores inteligentes para válvulas. 2. Posicionador inteligente de válvulas con válvula piezoeléctrica: El posicionador inteligente que utiliza una estructura de válvula piezoeléctrica consta, por lo general, de dos componentes de válvula piezoeléctrica de amplificación de potencia (PV1, PV2) y dos válvulas unidireccionales (RV1, RV2), como se muestra en la Figura 3. http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160102257019.png Figura 3: Estructura del circuito neumático del localizador inteligente de válvulas con válvula piezoeléctrica. Los componentes neumáticos pueden tener tres estados lógicos en su circuito neumático: a) Estado uno: PV1 está encendido, PV2 está encendido, RV1 está abierto y RV2 está cerrado ； El localizador envía una señal de presión al compartimento de membrana del actuador neumático de la válvula de control, lo que hace que el vástago de la válvula se mueva en una dirección determinada. b. Estado dos: PV1 apagado, PV2 encendido, RV1 apagado, RV2 apagado ； La ruta de aire del localizador está cerrada, lo que impide que llegue presión de aire al actuador neumático. Tanto el localizador como la válvula de regulación mantienen su estado actual; la posición de la válvula de regulación no cambia. c. Estado tres: PV1 apagado, PV2 apagado, RV1 cerrado, RV2 abierto ； La vía neumática del localizador se encuentra en estado de descarga; la cámara de membrana del actuador neumático está conectada al ambiente a través de la válvula piezoeléctrica, lo que permite que el gas contenido en dicha cámara sea expulsado. El vástago de la válvula de regulación se mueve en dirección opuesta (en comparación con el estado uno). El posicionador inteligente de válvulas logra regular la vía neumática de la válvula de control a través de los tres estados neumáticos mencionados, lo que a su vez permite controlar el funcionamiento de dicha válvula. ②Principio de funcionamiento del posicionador inteligente de válvulas. En comparación con los posicionadores tradicionales, el principio de control del posicionador inteligente de válvulas es básicamente el mismo: se compara la señal de entrada con la señal de retroalimentación de posición, y a partir de eso se regula la señal de presión de salida. Pero en cuanto a los elementos de actuación, los posicionadores inteligentes son completamente diferentes de los posicionadores tradicionales, es decir, su modo de funcionamiento es distinto: los posicionadores de válvulas inteligentes utilizan un microprocesador como núcleo, además de nuevos dispositivos de conversión eléctrico-neumática. El posicionador inteligente de válvulas eléctricas de la serie SIPARTPS2 de Siemens está basado en un microprocesador como núcleo. Utiliza válvulas piezoeléctricas de tipo nuevo en lugar del sistema de regulación de presión que consta de boquillas y deflectores en los posicionadores tradicionales, lo que permite controlar con precisión la presión de salida y, así, lograr una posición exacta de la válvula. La estructura del localizador de la serie SIPART PS2 consta principalmente de componentes como la unidad de válvula piezoeléctrica, la unidad de circuito de accionamiento piezoeléctrico, la unidad de microprocesador, el panel de operación con pantalla LCD, el sensor de posición de la válvula y los circuitos de entrada. Principio de funcionamiento del SIPART PS2: El sensor de posición del vástago de la válvula detecta la apertura real de esta; dicha señal se convierte en una señal digital a través de la conversión A/D. Luego, esta señal digital se compara con la señal digital establecida desde el exterior del posicionador (entrada), en la CPU. Se calcula entonces la diferencia entre ambas señales. Si esa diferencia supera el límite de precisión del posicionamiento, la CPU emite una señal de control para que las dos válvulas piezoeléctricas actúen. Cuando la señal de ajuste externa es mayor que la señal de retroalimentación relativa a la posición de la válvula, la válvula piezoeléctrica V1 se abre. Esto hace que aumente la presión del gas de salida P1. El aumento de la presión en la cámara de la membrana del actuador provoca un mayor grado de apertura de la válvula, lo que reduce la diferencia entre la señal de retroalimentación y la señal de entrada ； Cuando la señal de ajuste externo es menor que la señal de retroalimentación de la posición de la válvula, la válvula piezoeléctrica V2 se abre, lo que permite que el aire sea expulsado a través de los orificios de ventilación. De este modo, la presión en la fuente de aire de salida P1 disminuye. La disminución de la presión en la cámara de membrana del actuador hace que la apertura de la válvula disminuya, reduciendo así la diferencia entre ambas señales. Características del localizador inteligente SIPART PS2: La regulación de la presión de salida se realiza mediante la tecnología de modulación por ancho de pulso PID (PWM), lo que garantiza una respuesta rápida y precisa ； Se utilizan nuevos dispositivos de válvulas piezoeléctricas para garantizar un control de alta precisión ； El consumo de aire del localizador es extremadamente bajo. Los localizadores inteligentes que utilizan tecnología de válvulas piezoeléctricas presentan ventajas como una alta precisión en el control, una rápida velocidad de ajuste y un bajo consumo de aire. Estos dispositivos representan la dirección futura del desarrollo de los localizadores inteligentes. Con el paso del tiempo y los avances tecnológicos, el uso de válvulas piezoeléctricas se volverá aún más generalizado.