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Capítulo 4. Modelado matemático de sistemas de fluidos y sistemas térmicos 117
Válvulas con actuador neumático. Una característica de los controles neumáticos es
que emplean casi exclusivamente válvulas con actuador neumático. Una válvula con actuador
neumático proporciona una gran potencia de salida. (Como un actuador neumático requiere una
entrada de potencia grande para producir una salida de potencia grande, es necesario contar con
una cantidad suficiente de aire presurizado.) En las válvulas con actuador neumático prácticas,
las características de la válvula tal vez no sean lineales; es decir, es posible que el flujo no sea
directamente proporcional a la posición del vástago de la válvula y también pueden existir otros
efectos no lineales, como la histéresis.
Considérese el diagrama esquemático de una válvula con actuador neumático como la de la
Figura 4-11. Supóngase que el área del diafragma es A. Suponga también, que cuando el error es
cero la presión de control es igual a P1 c y el desplazamiento de la válvula es igual a X1.
En el análisis siguiente, se consideran algunas variaciones pequeñas en las variables y se linealiza
la válvula con actuador neumático. Se definen las variaciones pequeñas en la presión de
control y en el desplazamiento de la válvula correspondiente como p c y x, respectivamente. Como
un cambio pequeño en la fuerza de presión neumática aplicada al diafragma vuelve a posicionar
la carga, formada por el resorte, la fricción viscosa y la masa, la ecuación de balance de la
fuerza se convierte en
Ap c % mẍ ! bx5! kx
donde m % masa de la válvula y vástago de la válvula
b % coeficiente de fricción viscosa
k % constante del resorte
Si las fuerzas producidas por la masa y la fricción viscosa son insignificantes, entonces esta última
ecuación se simplifica a
Ap c % kx
La función de transferencia entre x y p c se convierte en
X(s)
P c (s) % A k % K c
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Figura 4-11. Diagrama esquemático de una válvula actuadora neumática.