Análisis de la “Banda Muerta” en Válvulas de Control

Las bandas muertas son la principal causa de desviaciones en procesos sobredimensionados. Las válvulas de control son una fuente importante de banda muerta en un lazo de instrumentación por una variedad de razones, como la fricción, el desplazamiento del aire, la torsión del carrete, la banda muerta en los amplificadores o las válvulas deslizantes.

Deadband es un fenómeno común y se refiere al rango o ancho del valor de salida del controlador que no permite que la variable de proceso bajo prueba cambie cuando la señal de entrada cambia de dirección. Cuando ocurre una perturbación de carga, la variable de proceso se desvía del punto de referencia. Este deLuego, la desviación se corrige mediante una acción correctiva generada por el controlador y se revierte al proceso. Sin embargo, es posible que un cambio inicial en la salida del controlador no produzca un cambio correctivo correspondiente en la variable del proceso. Solo ocurrirá un cambio en una variable de proceso correspondiente si la salida del controlador cambia en una cantidad lo suficientemente grande como para superar el cambio en la banda muerta.

Si la salida del controlador cambia de dirección, la señal del controlador debe superar la banda muerta para producir un cambio correctivo en la variable del proceso. La presencia de una banda muerta en el proceso significa que la salida del controlador debe aumentarse a una cantidad lo suficientemente grande como para superar la banda muerta. y solo entonces tendrá lugar una acción correctiva.

â Causas de las bandas muertas

Hay muchas causas de las bandas muertas, pero la fricción y el recorrido del aire en las válvulas de control, la torsión del husillo de las válvulas rotativas y las bandas muertas en los amplificadores son algunas formas comunes. Como la mayoría de las acciones de control de modulación se componen de pequeños cambios de señal (1% o menos), una válvula de control con una gran banda muerta puede no responder a tantos pequeños cambios de señal. Una válvula bien fabricada debe ser capaz de responder a señales del 1 % o menos para reducir efectivamente el grado de desviación del proceso. Sin embargo, no es raro que las válvulas tengan bandas muertas del 5% o más. En una auditoría de planta reciente, se encontró que el 30 % de las válvulas tenían más del 4 % de banda muerta. Más del 65 % de los lazos de control auditados tenían bandas muertas superiores al 2 %.

● El impacto de las bandas muertas

Este gráfico representa una prueba de bucle abierto de tres válvulas de control diferentes en condiciones de proceso normales. Estas válvulas reciben un rango de entradas escalonadas de 0,5% a 10%. Las pruebas escalonadas en condiciones de fluido son necesarias porque estas condiciones permiten evaluar el rendimiento de todo el conjunto de la válvula de control, en lugar de solo el actuador de la válvula, como es el caso con la mayoría de las pruebas estándar.

● Pruebas de rendimiento

Algunas pruebas de rendimiento de la válvula de control se limitan a comparar la señal de entrada con la carrera de la varilla de empuje del actuador. Esto es engañoso ya que ignora el desempeño de la válvula misma.

Lo que es fundamental es medir el rendimiento dinámico de la válvula en condiciones de fluido para que los cambios en las variables del proceso puedan compararse con los cambios en la señal de entrada al conjunto de la válvula. Si solo el vástago de la válvula responde a un cambio en la señal de entrada de la válvula, entonces esta prueba tiene poca relevancia ya que no hay corrección para las desviaciones del proceso sin un cambio correspondiente en la variable de control.

En las tres pruebas de válvulas, el movimiento de la varilla de empuje del actuador respondió bien a los cambios en la señal de entrada. Por otra parte, las válvulas diferían considerablemente en su capacidad para cambiar el caudal en respuesta a un cambio en la señal de entrada.

La válvula A, la variable de proceso (tasa de flujo) responde bien a una señal de entrada tan pequeña como 0,5%.

La válvula B requiere un cambio en la señal de entrada superior al 5% antes de que comience a responder bien a cada paso de la señal de entrada.

La válvula C, significativamente peor, requiere un cambio en la señal de más del 10 % antes de que comience a responder bien a cada paso de la señal de entrada.

En general, la capacidad de las válvulas B o C para mejorar la desviación del proceso es muy pobre.

● Fricción

La fricción es una de las principales causas de las bandas muertas en las válvulas de control. Las válvulas rotativas son muy sensibles a la fricción causada por la alta carga del asiento requerida para el sellado. Para algunos tipos de sellos, se necesitan altas cargas de asiento para obtener una clasificación de cierre. Debido a las altas fuerzas de fricción y la baja rigidez de la tensión de accionamiento, el eje de la válvula gira y no puede transmitir movimiento al elemento de control. Como resultado, una válvula rotativa mal diseñada puede presentar una gran banda muerta que claramente tiene una influencia decisiva en el grado de desviación del proceso.

Los fabricantes suelen lubricar los sellos de las válvulas rotativas durante el proceso de fabricación, pero después de unos pocos cientos de ciclos, la capa de lubricación se desgasta. Además, las cargas inducidas por la presión también pueden provocar el desgaste de los sellos. El resultado es que para algunos tipos de válvulas, la fricción de la válvula puede aumentar en un 400 % o más. Esto deja en claro que las conclusiones extraídas sobre el rendimiento mediante el uso de datos de tipos estándar para evaluar válvulas antes de que el par se haya estabilizado son engañosas. Las válvulas B y C muestran que estos factores de torsión de mayor fricción pueden tener un efecto devastador en el desempeño de una válvula de control.

La fricción del empaque es la principal fuente de fricción en las válvulas de control de carrera indirecta. En estos tipos de válvulas, la fricción medida puede variar considerablemente según la forma de la válvula y la configuración del empaque.

Este espacio puede provocar discontinuidades en el movimiento cuando el dispositivo cambia de dirección. Las brechas generalmente ocurren en dispositivos con varias configuraciones de transmisiones por engranajes. Los actuadores de piñón y cremallera son particularmente susceptibles a las bandas muertas debido a la holgura. Algunas conexiones del eje de la válvula también tienen problemas con las bandas muertas.

Aunque la fricción puede reducirse significativamente mediante un buen diseño de la válvula, es un problema difícil de eliminar por completo. Una válvula de control bien diseñada y fabricada debe ser capaz de eliminar las bandas muertas debidas a las holguras. Para lograr resultados óptimos en la reducción de las desviaciones del proceso, el espacio muerto total de todo el conjunto de la válvula debe ser inferior o igual al 1 %, siendo el resultado ideal tan bajo como el 0,25 %.