Válvulas y Elementos de Control en Neumática: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Válvulas: Generalidades

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y una parte de trabajo. Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas.

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenado en un depósito. En lenguaje internacional, el término válvula o distribuidor es el término general de todos los tipos tales como válvulas de correderas, de bola, de asiento, grifos, etc.

Según su función, las válvulas se subdividen en 5 grupos:

• Válvulas de vías
• Válvulas de bloqueo
• Válvulas de presión
• Válvulas de caudal
• Válvulas de cierre

Válvulas Distribuidoras

Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro.

Representación Esquemática de las Válvulas

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula, solamente indican su función.

• Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados.
• La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula.
• El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).
• Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido (figura No. 1).

• Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales. (Figura No.2).
• La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto. (Figura No. 3).

• Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial (Figura No. 4).
• La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan (Figura No.5).
• Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c,... y o. (Figura No. 6).
• Válvulas de 3 posiciones, posición intermedia - posición de reposo. (Figura No 7).

Por posición de reposo se entiende, en el caso de las válvulas con dispositivo de reposición, por ejemplo un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada.

La posición inicial es la que tienen las piezas móviles de la válvula después del montaje de ésta, establecimiento de la presión y, en caso dado conexión de la tensión eléctrica. Es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido.

• Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera), triángulo directamente junto al símbolo. (Figura No.8).
• Conducto de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión), triángulo ligeramente separado del símbolo. (Figura No 9).

Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas:

• Tuberías o conductos de trabajo: A, B, C,...
• Empalmes de energía: P
• Salida de escape: R, S, T
• Tuberías o conductos de pilotajes: Z, Y, X.

Accionamientos de Válvulas

Según su utilización, las válvulas distribuidoras pueden accionarse de diferentes modos. Los símbolos de los elementos de accionamiento se colocan horizontalmente a los lados de los cuadrados.

1. Accionamientos musculares
   • General
   • Pulsador
   • Palanca
   • Pedal
2. Accionamientos mecánicos
   • Leva
   • Muelle
   • Rodillo
   • Rodillo escamoteable
3. Accionamientos eléctricos
   • Electroimán con un solo arrollamiento
   • Electroimán con dos arrollamientos
4. Accionamientos neumáticos (directos)
   • Por presión
   • Por depresión
   • Por presión diferencial
5. Accionamiento indirecto (servopilotaje)
   • Por presión en la válvula de mando principal
   • Por depresión en la válvula de mando principal
6. Accionamiento combinado
   • Electroimán y servopilotaje neumático
   • Electroimán o neumático (válvula de servopilotaje)

Características de Construcción de Válvulas Distribuidoras

Las características de construcción de las válvulas determinan su duración, fuerza de accionamiento, racordaje y tamaño. Según su construcción, se dividen en:

• Válvulas de asiento (esférico y disco plano)
• Válvula de corredera (émbolo, émbolo y cursor y disco giratorio)

Válvulas de asiento plano: Tienen una junta simple que asegura la estanqueidad necesaria. El tiempo de respuesta es muy pequeño, puesto que un desplazamiento corto determina un gran caudal de paso; estas válvulas son insensibles a la suciedad y tienen por eso una vida muy larga. (Ver figura No.10).

Válvulas de asiento esférico: Son de concepción muy simple y por tanto muy económica, se distinguen por sus dimensiones muy pequeñas. (Ver figura No, 11).

Válvula de émbolo y cursor: En ésta válvula, un émbolo de mando se hace cargo de la función de inversión; los conductos se unen o se separan, por medio de una corredera plana adicional. La estanqueidad sigue siendo buena aunque la corredera plana se desgaste, puesto que se reajusta automáticamente por el efecto del aire comprimido y del muelle incorporado. (Ver figura No. 12).

Válvula de disco giratorio

Estas válvulas son generalmente de accionamiento manual o por pedal. Se fabrican generalmente como válvulas distribuidoras 3/3 ó 4/3, dos discos, al girar, unen los diversos conductos. (Ver figura No.13).

Válvulas Reguladoras de Presión

Tienen la misión de mantener constante la presión, es decir, de transmitir la presión ajustada en el manómetro sin variación a los elementos de trabajo o servoelementos, aunque se produzcan fluctuaciones en la presión de la red. La presión de entrada mínima debe ser siempre superior a la de salida.

Estas válvulas se pueden dividir en: válvulas reguladoras de presión sin orificio y válvulas reguladoras de presión con orificio de escape (ver figura No. 16).

Válvulas de Control de Flujo

Estas válvulas influyen sobre la cantidad de circulación de aire comprimido, el caudal se regula en ambos sentidos del flujo. Se pueden dividir en:

• Válvula de estrangulación
• Válvula de restricción de turbulencia
• Válvula de estrangulación variable
• Válvula de estrangulación de accionamiento mecánico

Válvulas de Bloqueo

Estas válvulas se dividen en:

• Válvula antirretorno sin muelle
• Válvula antirretorno con muelle
• Válvula antirretorno pilotada por aire
• Válvula selectora de circuitos
• Válvula de escape rápido
• Válvula de simultaneidad

Válvulas de Bloqueo: Son aquellas que impiden el paso del aire en un sentido y lo dejan libre en el contrario.

Válvula Antirretorno: La válvula de bloqueo más sencilla es la de retención, que cierra por completo el paso del aire en un sentido y lo deja libre en el sentido opuesto con la pérdida de presión más pequeña posible. Tan pronto como la presión de entrada en el sentido de paso aplica una fuerza superior a la del resorte incorporado, abre el elemento del cierre del asiento de la válvula. (ver la figura No. 19).

Válvula Selectora de Circuitos: Tiene dos entradas y una salida; el efecto de bloqueo actúa en el sentido de la entrada purgada, por lo que queda libre el paso desde la otra entrada hacia la salida (ver figura No. 20).

Válvula de Escape Rápido: Sirve para aumentar la velocidad del émbolo de un cilindro. La figura No. 21 muestra el proceso en el momento de conectar presión (impulso de presión de la válvula hacia el cilindro). La presión de aire que se forma en P comprime el retén obturador contra la superficie estanca del orificio de purga R. El aire comprimido fluye hacia la toma del cilindro A pasando por los labios flexibles de obturación del retén.

Válvula de Simultaneidad: Se utiliza de preferencia para los equipos de enclavamiento y para los equipos de control. Una válvula de éste tipo tiene dos entradas P1 y P2 y una salida A. (figura No 22). La señal de salida solo está presente si lo están las dos señales de entrada. En caso de una diferencia en el tiempo de las señales de entrada pasa a la salida la de presión más baja.

Servoválvulas

Son elementos que permiten controlar el movimiento de los elementos de trabajo a partir de una señal de consigna aplicada en su entrada.

Electroválvulas (Válvulas Electromagnéticas)

Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En general, se elige el accionamiento eléctrico para mandos con distancias extremadamente largas y cortos tiempos de conexión.

Las electroválvulas se dividen en monoestables y biestables.

Las electroválvulas monoestables solamente tienen una bobina (electroimán) en un costado de la válvula que es accionada por una bobina eléctrica que recibe una señal ya sea de corriente directa o corriente alterna en la cual los valores del voltaje pueden variar.

Funcionamiento: al conectar la bobina, el núcleo o inducido es atraído hacia arriba venciendo la resistencia del muelle. Se unen los empalmes P y A. El núcleo obstruye con su parte trasera, la salida R. Al desconectar la bobina el muelle empuja el núcleo hasta su asiento inferior y cierra el paso de P hacia A. El aire de la tubería de trabajo A puede escapar entonces hacia R. Esta válvula tiene solapo, el tiempo de conexión es muy corto. Para reducir el tamaño de la bobina se utilizan válvulas de mando indirecto, que se componen de dos válvulas: una electroválvula servopilotada 3/2 y una válvula principal neumáticas, como se muestra en la figura No. 23.

Elementos de Control Eléctrico

Pulsadores

Para que una máquina o equipo se ponga en marcha, es necesario contar con un elemento que emita una señal. Tal elemento puede ser un pulsador que ocupa una posición de conmutación determinada mientras que es activado.

La figura No. 25 muestra las dos versiones; una con contacto normalmente abierto y otra con contacto normalmente cerrado. Al accionarse el pulsador, el elemento contactor actúa en contra de un muelle, el cual se encarga de juntar (normalmente abierto) o de separar (normalmente cerrado) los contactos. El circuito eléctrico se cierra o abre correspondientemente. El pulsador vuelve a su posición normal por acción del muelle cuando cesa la fuerza sobre el pulsador.

Interruptores

Los interruptores de retención, como el de botón, mantienen su posición por efecto mecánico cuando son accionados. Solo volviéndolos a accionar desbloquean su posición y vuelven a su estado inicial. Ver Figura No.26.

Electroválvula de 4/2 Vías (Servopilotada) Accionamiento Manual

La válvula de 4/2 vías está compuesta por 2 válvulas de 3/2 vías y tiene la función de controlar un cilindro de doble efecto o de encargarse del control de otras válvulas.

Una señal eléctrica tiene como consecuencia que el inducido abra el paso. El aire comprimido que pasa por el canal de aire de prepilotaje actúa sobre los dos émbolos de la válvula permitiendo la conmutación respectiva. El estado de conmutación está abierto entre las conexiones 1 (P) y 4(A); la conexión 2(B) expulsa aire en dirección de la conexión 3(R). Cuando se interrumpe la señal eléctrica, ambos émbolos de la válvula vuelven a su posición normal, con lo que queda abierto el paso de 1(P) hacia “(B) mientras que la conexión 4(A) expulsa aire por la conexión 3(R).

Interruptores Final de Carrera

Estos interruptores permiten consultar determinadas posiciones finales de partes de máquinas o de otros elementos de trabajo. Al elegir este tipo de emisores de señales, los criterios son el esfuerzo mecánico, la seguridad del contacto y la exactitud del punto de conmutación.

Los interruptores finales de carrera también pueden clasificarse según la entrada de la señal en contacto lento o contacto de ruptura brusca. En el caso de los interruptores lentos, los contactos abren o cierran a la misma velocidad que funciona la unidad de trabajo (este sistema es apropiado para bajas velocidades de accionamiento).

Tratándose de contactos de ruptura brusca, la velocidad de accionamiento no es tomada en cuenta, puesto que el interruptor conmuta bruscamente en un punto determinado. Los interruptores finales de carrera pueden ser accionados por piezas fijas, como ejemplo: taqués, palancas con rodillos. Ver figura No. 27.

Sensores

Estos elementos son accionados sin contactos y cada vez su uso es más frecuente en la técnica de mandos. Estos elementos están compuestos de una parte sensora y otra que procesa las señales. Si la parte procesadora de señales produce señales binarias, entonces se trata de detectores de proximidad o iniciadores. Asimismo también están muy difundidos los sensores que generan señales analógicas para la determinación analógicas de valores de medición.

Ahora, los detectores de proximidad sin contacto son utilizados en los siguientes casos:

• Si no se dispone de fuerza para el accionamiento.
• Si es necesario contar con una vida útil larga.
• Si en el sistema se producen fuertes vibraciones.
• Si las condiciones del medio ambiente son difíciles.
• Si son necesarias altas frecuencias de conmutación.

Detectores de Proximidad Tipo Reed

Un detector de proximidad está compuesto de un contacto Reed fundido en un bloque de resina sintética. Este contacto cierra cuando se acerca a un campo magnético (por ejemplo: un campo magnético permanente en el émbolo de un cilindro) y emite una señal eléctrica. Las conexiones eléctricas también están fundidas en un bloque de resina.

Un diodo luminoso indica el estado de conmutación. En estado de excitación se ilumina el amarillo. Estos detectores ofrecen múltiples ventajas, especialmente en caso de numerosos procesos de conmutación. Asimismo también se aplican si el espacio es demasiado reducido para el montaje de un interruptor mecánico. Ver figura No. 28.

Detectores de Proximidad Inductivos

Estos detectores tienen la capacidad de sensar materiales de tipo ferrífico pues trabajan bajo el principio del magnetismo.

Los detectores de proximidad tienen que ser alimentados con corriente eléctrica. La distancia de conmutación depende del material del objeto que se aproxima al detector. Los detectores varían según se trate de circuitos de corriente continua o alterna. La humedad y la temperatura ambiente suelen influir ligeramente en la distancia de respuesta, éstos detectores son menos sensibles a estos factores. A continuación se muestra como deben de conectarse. Figura No.29.

Detectores de Tipo Capacitivo

La teoría y las aplicaciones prácticas de los detectores capacitivos son mucha más complicadas que cualquier otro. Ejemplo: los fallos de conmutación se pueden producir especialmente por humedad en la superficie activa.

Al igual que los inductivos, los detectores de proximidad capacitivos también funcionan como un oscilador.

Si se acerca un objeto metálico o no metálico a la superficie activa del sensor, aumenta la capacidad eléctrica entre la conexión con tierra y dicha superficie activa. Cuando se rebasa determinado valor, entonces empieza a excitarse al oscilador, el cual puede tener una sensibilidad regulable, Las oscilaciones son evaluadas por un amplificador. En consecuencia, las salidas funcionan con interruptores normalmente abiertos, cerrados o con una combinación de ambos, según la versión.

Para que responda el iniciador, basta con acercar el medio que deberá ser detectado a la superficie activa del sensor. No es necesario que se produzca un contacto directo. Los sensores capacitivos reaccionan si se les acerca materiales aislantes con una constante dieléctrica superior a 1. En consecuencia son ideales para ser usados como detectores de niveles de depósitos que contienen granulados, harina, azúcar, cemento, yeso o líquidos tales como el aceite, gasolina, agua, etc. A continuación se muestra, Figura No.30.

Detectores de Proximidad Óptico

El iniciador opto-electrónico reacciona sin contacto directo frente a todo tipo de materiales, ejemplo: vidrio, madera, plástico, láminas, cerámicas, papel, líquidos y metales. El detector de proximidad óptico emite una luz cuya reflexión varía en función del material. De este modo es factible seleccionar materiales que produzcan reflexiones diferentes. Este tipo de detectores funcionan sin problemas a través de cristales o líquidos, y al igual que todos los detectores de proximidad, es insensible a las vibraciones, estanco al agua y no se desgasta. A continuación se muestra como funciona. Figura No. 31.

Relés

Los relés son elementos constructivos que conmutan y controlan con poca energía. Los relés son utilizados principalmente para el procesamiento de señales. Un relé puede ser descrito como conmutador de rendimiento definido y accionado electromagnéticamente.

Funcionamiento:

Conectando tensión a la bobina, fluye una corriente que crea un campo magnético que desplaza al inducido hacia el núcleo de la bobina. El inducido por su parte, está provisto de contactos mecánicos que pueden abrir o cerrar. El estado descrito se mantiene mientras esté aplicada la tensión. Al interrumpirla, el inducido vuelve a su posición normal por acción de un muelle.

Los relés siguen teniendo gran importancia en el mercado por diversas razones:

• Fácil adaptación de diversas tensiones de trabajo.
• Insensibilidad térmica frente al medio ambiente.
• Resistencia relativamente elevada entre los contactos de trabajo desconectados.
• Posibilidad de activar varios circuitos independientes entre sí.
• Presencia de una separación galvánica entre circuito del mando y el circuito principal.

Ver la figura No. 32.

Estos detectores tienen la capacidad de sensar materiales de tipo ferrífico pues trabajan bajo el principio del magnetismo.

Los detectores de proximidad tienen que ser alimentados con corriente eléctrica. La distancia de conmutación depende del material del objeto que se aproxima al detector. Los detectores varían según se trate de circuitos de corriente continua o alterna. La humedad y la temperatura ambiente suelen influir ligeramente en la distancia de respuesta, éstos detectores son menos sensibles a estos factores. A continuación se muestra como deben de conectarse. Figura No.29.

Detectores de Tipo Capacitivo

Si se acerca un objeto metálico o no metálico a la superficie activa del sensor, aumenta la capacidad eléctrica entre la conexión con tierra y dicha superficie activa. Cuando se rebasa determinado valor, entonces empieza a excitarse al oscilador, el cual puede tener una sensibilidad regulable, Las oscilaciones son evaluadas por un amplificador. En consecuencia, las salidas funcionan con interruptores normalmente abiertos, cerrados o con una combinación de ambos, según la versión.

Detectores de Proximidad Óptico

El iniciador opto-electrónico reacciona sin contacto directo frente a todo tipo de materiales, ejemplo: vidrio, madera, plástico, láminas, cerámicas, papel, líquidos y metales. El detector de proximidad óptico emite una luz cuya reflexión varía en función del material. De este modo es factible seleccionar materiales que produzcan reflexiones diferentes. Este tipo de detectores funcionan sin problemas a través de cristales o líquidos, y al igual que todos los detectores de proximidad, es insensible a las vibraciones, estanco al agua y no se desgasta. A continuación se muestra como funciona. Figura No. 31.

Relés

Los relés son elementos constructivos que conmutan y controlan con poca energía. Los relés son utilizados principalmente para el procesamiento de señales. Un relé puede ser descrito como conmutador de rendimiento definido y accionado electromagnéticamente.

Funcionamiento:

Conectando tensión a la bobina, fluye una corriente que crea un campo magnético que desplaza al inducido hacia el núcleo de la bobina. El inducido por su parte, está provisto de contactos mecánicos que pueden abrir o cerrar. El estado descrito se mantiene mientras esté aplicada la tensión. Al interrumpirla, el inducido vuelve a su posición normal por acción de un muelle.

Los relés siguen teniendo gran importancia en el mercado por diversas razones:

• Fácil adaptación de diversas tensiones de trabajo.
• Insensibilidad térmica frente al medio ambiente.
• Resistencia relativamente elevada entre los contactos de trabajo desconectados.
• Posibilidad de activar varios circuitos independientes entre sí.
• Presencia de una separación galvánica entre circuito del mando y el circuito principal.

Ver la figura No. 32.

Estos detectores tienen la capacidad de sensar materiales de tipo ferrífico pues trabajan bajo el principio del magnetismo.

Los detectores de proximidad tienen que ser alimentados con corriente eléctrica. La distancia de conmutación depende del material del objeto que se aproxima al detector. Los detectores varían según se trate de circuitos de corriente continua o alterna. La humedad y la temperatura ambiente suelen influir ligeramente en la distancia de respuesta, éstos detectores son menos sensibles a estos factores. A continuación se muestra como deben de conectarse. Figura No.29.

Detectores de Tipo Capacitivo

Si se acerca un objeto metálico o no metálico a la superficie activa del sensor, aumenta la capacidad eléctrica entre la conexión con tierra y dicha superficie activa. Cuando se rebasa determinado valor, entonces empieza a excitarse al oscilador, el cual puede tener una sensibilidad regulable, Las oscilaciones son evaluadas por un amplificador. En consecuencia, las salidas funcionan con interruptores normalmente abiertos, cerrados o con una combinación de ambos, según la versión.