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110 Ingeniería de control moderna
Amplificadores neumáticos de tobera-aleta. La Figura 4-5(a) muestra un diagrama
esquemático de un amplificador neumático de tobera-aleta. La fuente de potencia para este amplificador
es un suministro de aire a una presión constante. El amplificador de tobera-aleta convierte
los cambios pequeños en la posición de la aleta en cambios grandes en la presión trasera
de la tobera. Por tanto, una salida de energía grande se controla por medio de la pequeña cantidad
de energía necesaria para posicionar la aleta.
En la Figura 4-5(a) el aire presurizado se alimenta a través del orificio y se expulsa de la
tobera hacia la aleta. En general, la presión de suministro P s para tal controlador es de 20 psig
(una gravitacional de 1.4 kg f /cm 2 ). El diámetro del orificio está en el orden de 0.01 in (0.25 mm)
y el de la tobera está en el orden de 0.016 in (0.4 mm). Para asegurar un funcionamiento
adecuado del amplificador, el diámetro de la tobera debe ser más grande que el diámetro del
orificio.
Al operar este sistema, la aleta se posiciona contra la abertura de la tobera. La presión trasera
de la tobera P b se controla mediante la distancia X tobera-aleta. Conforme la aleta se acerca a la
tobera, aumenta la oposición al flujo del aire a través de la tobera y, en consecuencia, aumenta la
presión trasera P b de la tobera. Si la tobera está completamente cerrada por medio de la aleta, su
presión trasera P b se vuelve igual a la presión de suministro P s . Si la aleta se aleja de la tobera, de
modo que la distancia tobera-aleta sea amplía (en el orden de 0.01 in), prácticamente no hay
restricción para el flujo, y la presión trasera P b de la tobera adquiere un valor mínimo que depende
del dispositivo tobera-aleta. (La presión posible más baja será la presión ambiental P a .)
Obsérvese que, debido a que el chorro de aire opone una fuerza contra la aleta, es necesario
trazar lo más pequeño posible el diámetro de la tobera.
La Figura 4-5(b) contiene una curva típica que relaciona la presión trasera P b de la tobera con
la distancia X tobera-aleta. La parte con gran inclinación y casi lineal de la curva se utiliza en la
operación real del amplificador de tobera-aleta. Debido a que el rango de los desplazamientos de
la aleta está limitado a un valor pequeño, también es pequeño el cambio en la presión de salida, a
menos que la curva esté muy inclinada.
El amplificador de tobera-aleta convierte el desplazamiento en una señal de presión. Como
los sistemas de control de procesos industriales requieren una potencia de salida grande para
operar válvulas con actuadores neumáticos grandes, por lo general es insuficiente el incremento
de potencia del amplificador de tobera-aleta. En consecuencia, un relé neumático funciona por lo
general como un amplificador de potencia conectado con el amplificador de tobera-aleta.
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Figura 4-5. (a) Diagrama esquemático de un amplificador neumático de tobera-aleta;
(b) curva característica asociada a la presión de la tobera trasera y a la distancia tobera-aleta.