Cómo controlar la presión de vacío
Fundamentos de la supervisión, el control y la regulación de la presión en sistemas de vacío
En todos los procesos de vacío, la presión del sistema debe medirse constantemente y, si es necesario, regularse. Asimismo, para los procedimientos de control de plantas en la actualidad, es necesario transmitir todos los valores de medición relevantes para la supervisión de la planta permitente a las estaciones centrales y los centros de supervisión y control, además de recopilarse con la debida claridad. Se lleva un registro frecuente de los cambios de presión en el tiempo por medio del pertinente equipo. Por consiguiente, los vacuómetros deben satisfacer exigencias adicionales además de las propias de su condición:
a) indicación continua de los valores obtenidos en las mediciones, tanto analógicos como digitales, en la medida de lo posible
b) lectura clara y cómoda de los valores medidos
c) salida para equipo de registro para conectar un instrumento o equipos de control o regulación
d) interfaz digital integrada (por ejemplo, RS-232)
e) función para activar operaciones de conmutación mediante puntos de activación integrados
Habitualmente, todos los vacuómetros que incorporan pantalla eléctrica de valores de medición son capaces de satisfacer estas demandas, con la salvedad de los mecánicos de diafragma y de los rellenos de líquido. Las correspondientes unidades de control incorporan salidas para equipos de medición que suministran tensiones continuas de entre 0 y 10 V, en función de la lectura de presión de la escala del medidor, lo que permite registrar los valores de presión conforme pasa el tiempo por medio del pertinente instrumento. Si se conecta un presostato a la salida de instrumento de registro del vacuómetro, es posible activar operaciones de conmutación en el caso de que los valores superen o no alcancen los correspondientes puntos de ajuste. A estos puntos de ajuste o valores de umbral que provocan la activación de las conmutaciones se los denomina "valores de activación". Además de los vacuómetros, existen presostatos de diafragma que activan operaciones de conmutación (sin que se indique ningún valor de medición en la pantalla) en caso de alcanzar una determinada presión, para lo que se valen de un amplificador de contacto. Por ejemplo, también es posible controlar válvulas mediante tales operaciones de conmutación.
Protección, supervisión y control automáticos de los sistemas de vacío
La protección de un sistema de vacío contra errores de funcionamiento es de vital importancia. En caso de avería pueden ponerse en riesgo equipos de altísimo valor material, ya sea por pérdida del sistema al completo o de sus componentes esenciales, como consecuencia de una pérdida del correspondiente lote de material de producción o de la prolongación del tiempo de parada de esta. Por consiguiente, deben disponerse los pertinentes mecanismos de protección y control, en especial en plantas de producción de gran envergadura. Los distintos factores que deben tenerse en cuenta a este respecto se ilustran con la mayor claridad mediante un ejemplo: en la Fig. 3.20 aparece el diagrama esquemático de un sistema de bombeo de vacío alto. Es posible evacuar el depósito (11) por medio de una bomba Roots (14) o una bomba de difusión (15); las dos trabajan conjuntamente con la bomba auxiliar (1). La bomba Roots se usa en el rango de vacío medio y la de difusión, en el de vacío alto (no obstante, también puede usarse una bomba turbomolecular). Las válvulas (3), (8) y (16) se controlan de forma electroneumática. Los distintos componentes se controlan mediante un panel de control que incorpora pulsadores.
Fig. 3.20: Diagrama esquemático de un sistema de bombeo de alto vacío con acción auxiliar de una bomba
Roots o una bomba de difusión.
- Bomba auxiliar
- Dispositivo de monitorización de la presión auxiliar
- Válvula electroneumática
- Conexión de aire comprimido
- Dispositivo de supervisión de la presión
- Dispositivo de supervisión de la temperatura
- Dispositivo de supervisión del agua de refrigeración
- Válvula electroneumática
- Instrumento de registro
- Dispositivo de control de vacío alto
- Depósito
- Vacuómetro de vacío alto
- Limitadores de carrera
- Bomba Roots
- Bomba de difusión
- Válvula electroneumática
- Válvula de venteo
Medidas para proteger el sistema de bombeo contra errores de funcionamiento
El sistema de bombeo debe protegerse contra las anomalías de funcionamiento conforme a las instrucciones siguientes. Asimismo, también se indican las medidas que deben adoptarse para impedir que estos errores tengan lugar:
a) Medidas en caso de fallo del suministro eléctrico: todas las válvulas deberán estar cerradas para evitar la entrada de aire en el depósito de vacío y proteger la bomba de difusión contra daños.
b) Protección en caso de caída de presión en la red de aire comprimido: el aire comprimido se controla mediante un dispositivo de monitorización de la presión (5). Si la presión cae por debajo de un valor especificado, inicialmente se puede emitir una señal o las válvulas se pueden cerrar automáticamente. En este caso, es necesario un suministro de reserva de aire comprimido suficiente (no se muestra en la Fig. 3.20), que permita accionar todas las válvulas como mínimo una vez.
c) Medidas en caso de fallo del agua de refrigeración en la bomba de difusión: el agua de refrigeración se controla mediante un dispositivo de control de caudal o temperatura (6) y (7). Si el caudal de agua de refrigeración es inadecuado, el calentador de la bomba de difusión se apaga y se emite una señal; la válvula (8) se cierra.
d) Protección contra averías del calentador de la bomba de difusión: la interrupción del sistema de calefacción de la bomba de difusión puede controlarse mediante un relé. Si la temperatura supera un valor máximo permitido, responde un dispositivo de control de temperatura (6). En ambos casos, la válvula (8) se cierra y se emite una señal.
e) Protección en caso de avería de la bomba auxiliar: las bombas auxiliares accionadas por correa deben tener un interruptor centrífugo que apague todo el sistema en caso de rotura de la correa u otro error de funcionamiento. Las bombas de monobloque cuyo sistema de accionamiento esté montado directamente sobre el eje pueden supervisarse por medio de relés de corriente y otros mecanismos similares.
f) Protección contra aumentos de la presión en el depósito por encima de un determinado valor límite: el dispositivo de supervisión de vacío alto (10) emite una señal en caso de superarse un valor de presión determinado.
g) Asegurar la presión inicial crítica de la bomba de difusión: si se supera una determinada presión auxiliar, todas las válvulas se cierran por acción del dispositivo de monitorización de la presión auxiliar (2), las bombas se apagan y se vuelve a emitir una señal. La posición de las válvulas (3), (8) y (16) se indica en el panel de control mediante limitadores de carrera (13). La presión del depósito se mide mediante un manómetro de vacío alto (12) y se registra por medio de un instrumento de registro (9). Para protegerse de errores de funcionamiento, es posible bloquear los distintos interruptores para que solo sea posible accionarlos en un orden predeterminado. Por ejemplo, puede no ser posible arrancar la bomba de difusión mientras no esté en marcha la auxiliar, si no se mantiene la presión auxiliar necesaria o si la circulación de agua de refrigeración no funciona.
Regulación y control de la presión en sistemas de vacío medio y bajo
El control y la regulación tienen la función de proporcionar un valor físico variable, en este caso la presión en el sistema de vacío. La característica común es el actuador que modifica el suministro de energía conforme a esta variable física y, por consiguiente, también la propia variable. Con "control" se hace referencia al influjo en un sistema o unidad por medio de órdenes o comandos. En este caso, el actuador (y, por consiguiente, el valor real de la variable física) se modifica de forma directa por medio de una variable manipulable. Un ejemplo es el accionamiento de una válvula por medio de un presostato. El valor real puede sufrir modificaciones indeseables como consecuencia del efecto de otros influjos externos. La unidad controlada no es capaz de reaccionar ante la unidad de control. Es por ello que se dice de los sistemas de control que cuentan con una "secuencia de funcionamiento abierta". En el caso de la regulación, el valor real de la variable física se compara de forma continuada con el punto de ajuste correspondiente que se haya especificado, y se produce regulación en caso de existir cualquier desviación para que se aproxime al punto de ajuste todo lo posible. A efectos prácticos, para la regulación se necesita siempre de control. La diferencia principal es el controlador en el que se comparan el punto de ajuste y el valor correspondiente. En conjunto, todos los elementos que participan del proceso de control conforman el circuito de control. Los términos y variables características mediante los que se describen los procesos de control se disponen en la norma DIN 19226.
Por lo general, se distingue entre el "control discontinuo" (p. ej., en dos o tres etapas o pasos) y con especificación de un lapso temporal de presión (en la que esta puede variar) y el "control continuo" (p. ej., el que se lleva a cabo mediante PID), en el que hay un punto de ajuste de presión que debe mantenerse con el mayor grado de exactitud posible. Hay dos posibles maneras de ajustar la presión en un sistema de vacío: primeramente, modificando la velocidad de bombeo (cambio de la velocidad de la bomba mediante estrangulación o cierre de una válvula) y, como segundo método, mediante admisión e gas (abertura de una válvula). De este modo, se sigue un total de 4 procedimientos.
Regulación discontinua de la presión
Aunque la regulación continua constituya sin duda el procedimiento más elegante, en muchos casos la regulación en dos o tres etapas resulta perfectamente adecuada en todos los rangos de vacío. Para especificar la ventana de presión, se necesitan dos o tres contactos de presostato. No importa si los contactos del presostatos están colocados en un vacuómetro con pantallas a bajo o en una unidad situada aguas abajo, o si se trata de un presostato sin pantalla. En la Fig. 3.21 se indica la diferencia entre la regulación en dos etapas mediante estrangulación de la velocidad de bombeo, la de dos puntos por medio de admisión de gas y la de tres puntos mediante combinación de estrangulación de la velocidad de bombeo y admisión de gas. En las Figuras 3.22 y 3.23 se muestran el circuito y la estructura de los sistemas de regulación de dos etapas. Para la regulación en dos etapas mediante estrangulación de la velocidad de bombeo (3.22), se suministra tensión a la válvula de bombeo 4, es decir, se abre cuando los contactos del relé se encuentran desactivados. A valores inferiores al punto de conmutación superior, la válvula permanece abierta a causa de la función de retención automática del relé auxiliar. Solo cuando se encuentra por debajo del punto de conmutación inferior se abre el cierre del relé. Si como consecuencia de esto la presión incrementa, la válvula vuelve a abrirse de nuevo una vez alcanzado el punto de conmutación superior.
Fig. 3.21: Diagrama esquemático de la regulación de dos y tres etapas
Fig. 3.22: Regulación en dos etapas mediante estrangulación de la velocidad de bombeo.
➀ Indicador con dos puntos de conmutación
➁ Válvula de estrangulación
➂ Bomba de vacío
➃ Válvula de la bomba
➄ Depósito de vacío
Fu: fusible
R, Mp: conexión de red eléctrica, 220 V/50 Hz
Smax: punto de conmutación para el valor máximo
Smin: punto de conmutación para el valor mínimo
PV: válvula de la bomba
R1: relé auxiliar de la válvula de la bomba
K1: contacto de relé de R1
M: dispositivo de medición y conmutación
Fig. 3.23: Regulación en dos etapas mediante admisión de gas
➀ Indicador con dos puntos de conmutación
➁ Válvula de fuga variable
➂ Válvula de admisión
➃ Suministro de gas
➄ Válvula de estrangulación
➅ Bomba de vacío
➆ Depósito de vacío
Fu: Fusible
R, Mp: conexión de red eléctrica, 220 V/50 Hz
Smax: punto de conmutación para el valor máximo
Smin: punto de conmutación para el valor mínimo
EV: válvula de admisión
R2: relé auxiliar de la válvula de admisión
K2: contacto de relé de R2
M: dispositivo de medición y conmutación
En la regulación en dos etapas mediante admisión de gas, la válvula de admisión está cerrada en primera instancia. En caso de no alcanzarse el punto de conmutación de presión superior, no se produce cambio alguno; solo si la presión cae por debajo del punto de conmutación anterior, los "contactos de activación" abren la válvula de admisión de gas y accionan el relé auxiliar con función de retención automática al mismo tiempo. No se vuelve al estado de inactividad (con cierre de la válvula de admisión de gas) hasta que se haya superado el punto de conmutación superior como consecuencia de la desactivación de la función de retención automática del relé.
En la Fig. 3.24 se indica el sistema de regulación en tres etapas correspondiente, compuesto de los dos componentes que acaban de señalarse. Como su propio nombre indica, aúna dos puntos de conmutación: el inferior del sistema de regulación (mediante estrangulación de la velocidad de bombeo) y el superior del sistema de regulación de admisión de gas.
Fig. 3.24: Sistema de regulación de tres etapas.
➀ Indicador con tres puntos de conmutación
➁ Válvula de fuga variable
➂ Válvula de fuga variable
➃ Válvula de admisión
➄ Suministro de gas
➅ Válvula de estrangulación
➆ Bomba de vacío
➇ Válvula de la bomba
➈ Depósito de vacío
Fu: fusible
R, Mp: conexión de red eléctrica, 220 V/50 Hz
Smax: punto de conmutación para el valor máximo
Smitte: punto de conmutación para el valor intermedio
Smin: punto de conmutación para el valor mínimo
T: GRAPHIX THREE
PV: válvula de la bomba
EV: válvula de admisión
R1: relé auxiliar para el intervalo de bombeo
R2: relé auxiliar para el intervalo de admisión
K1: contacto de relé de R1
K2: contacto de relé de R2
M: dispositivo de medición y conmutación
Para evitar la compleja tarea que supone colocar relés auxiliares, muchas unidades incorporan un mecanismo para cambiar el tipo de función de los valores de activación integrados mediante software. Inicialmente, puede elegirse entre distintos puntos de conmutación (o "activadores de nivel") y puntos de conmutación interconectados ("activadores de intervalo"). Estas funciones se explican en la Fig. 3.25. Con los activadores de intervalo, es posible seleccionar asimismo la envergadura de la histéresis y el tipo de especificación del punto de ajuste, bien fijando el valor de configuración de la unidad, bien mediante especificación por tensión externa (p. ej., de 0 a 10 voltios). Es posible configurar un sistema de regulación de tres etapas (sin relé auxiliar), por ejemplo, con las unidades CEREVAC y GRAPHIX THREE de Leybold.
Fig. 3.25: Diagrama de activadores de nivel e intervalos
GRAPHIX: unidades de control para sensores activos GRAPHIX Pantalla e instrumentos de control para sensores activos
Regulación continua de la presión
Aquí debemos distinguir entre los controladores electrónicos (p. ej., los PID) con válvula proporcional a modo de actuador y los mecánicos de diafragma. En un sistema de regulación con controladores electrónicos, la coordinación entre el controlador y el actuador (válvula de admisión de gas piezoeléctrica, válvula de admisión con accionamiento por motor, válvula de control de mariposa o válvula de estrangulación) es una cuestión difícil como consecuencia de la enorme diferencia existente entre las condiciones limitantes (el volumen del depósito, la velocidad de bombeo efectiva en el depósito, el rango de control de la presión). Estos circuitos de control tienden a vibrar con facilidad en caso de producirse fallos de funcionamiento en el proceso. Es prácticamente imposible indicar valores comunes que resulten válidos de forma general.
Muchos problemas de control se pueden resolver mejor con un controlador de diafragma. Es fácil conocer la función del controlador del diafragma (véase la Fig. 3.27) dada su similitud con la de un vacuómetro de diafragma: el extremo romo de un tubo o una tubería se cierra mediante un diafragma de caucho elástico (en caso de que la presión de referencia sea superior a la presión de proceso) o se abre (en caso de que la presión de referencia sea inferior a la de proceso) de modo que, en este último caso, se establece una conexión entre el lado del proceso y la bomba de vacío. Este sistema de regulación, elegante y más o menos "automático", cuenta con excelentes características de control (véase la Fig. 3.28).
Fig. 3.27: El principio de un controlador de diafragma
- Cámara de referencia
- Diafragma
- Conexión de medición para la cámara de referencia
- Válvula de ajuste de presión de referencia
- Conexión de la bomba
- Asiento del controlador
- Cámara de control
- Conexión de medición de la presión del proceso
- Conexión de la cámara de proceso
Fig. 3.28: Características de control de un controlador de diafragma.
P1= presión de proceso, P2= presión en la bomba, Pref = presión de referencia
Para conseguir caudales mayores, es posible conectar varios controladores de diafragma en paralelo. De esta forma, las cámaras de proceso y referencia también quedan conectadas en paralelo. En la Fig. 3.29 se muestra una conexión de este tipo de 3 controladores de diafragma MR 50.
Para controlar un proceso de vacío, con frecuencia es necesario modificar la presión en diferentes etapas del proceso. Si se dispone de un controlador de diafragma, es posible llevar a cabo esta tarea, bien manualmente, bien mediante control eléctrico de la presión de referencia.
El control eléctrico de la presión de referencia de un controlador de diafragma es tarea relativamente sencilla dado lo reducido del volumen de referencia, que siempre se mantiene constante. En la Fig. 3.31 se muestra una disposición de este tipo (a la izquierda, en forma de ilustración y a la derecha, en forma esquematizada); véase 3.5.5 para obtener ejemplos de aplicación con controladores de diafragma.
Para poder modificar la presión de referencia y, por consiguiente, la presión de proceso por presiones superiores, es necesario colocar una válvula de admisión adicional en la cámara de proceso. Esta válvula se abre por medio de un presostato diferencial (que no se muestra en la Fig. 3.31) cuando una presión de proceso superior supera la de proceso actual en un valor superior a una diferencia de presión establecida en el presostato diferencial.
Fig. 3.29: Conexión triple de controladores de diafragma
Fig. 3.30: Control de los procesos de secado al vacío mediante la regulación de la presión de admisión de la bomba de vacío según la tolerancia al vapor de agua.
DC: controlador de diafragma
P: bomba de vacío
M: dispositivo de medición y conmutación
PS: sensor de presión
V1: válvula de la bomba
V2: válvula de admisión de gas
TH: estrangulador
RC: cámara de referencia
PC: cámara de proceso
CV: válvula reguladora de presión de referencia interna
Fig. 3.31: Controlador de diafragma con regulación automática externa de la presión de referencia.
DC: controlador de diafragma
PS: sensor de presión de proceso
RS: sensor de presión de referencia
V1: válvula de admisión de gas
V2: válvula de la bomba
V3: válvula de fuga variable de la admisión de gas
TH: estrangulador
M: dispositivo de medición y conmutación
PP: bomba de proceso
RC: cámara de referencia
PC: cámara de proceso
AP: bomba auxiliar
CV: válvula reguladora de presión de referencia interna
Regulación de la presión en sistemas de vacío alto y ultraalto
Si la presión debe mantenerse constante dentro de ciertos límites, debe establecerse un equilibrio entre el gas admitido en el depósito de vacío y el gas eliminado simultáneamente por la bomba con la ayuda de válvulas o dispositivos de regulación. Esta no es tarea particularmente difícil en sistemas de vacío medio y bajo, dado que la desorción de gases adsorbidos de las paredes es generalmente insignificante en comparación con la cantidad de gas que circula por sistema. La regulación de la presión se puede llevar a cabo mediante admisión de gas o regulación de la velocidad de bombeo. Sin embargo, el uso de controladores de diafragma solo es posible en valores de entre la presión atmosférica y los 10 mbar aproximadamente.
En el rango de vacío alto y ultraalto, por otro lado, la evolución del gas de las paredes del depósito tiene una influencia decisiva en la presión. Por consiguiente, solo es posible seleccionar valores de los rangos de presión alto y ultraalto si la evolución del gas de las paredes es despreciable con respecto a la admisión de gas por medio de la unidad reguladora de la presión. Es por ello que la regulación de la presión en este rango suele modificarse mediante regulación de admisión de gas por medio de un controlador PID. A modo de actuadores se usan válvulas de fuga variable piezoeléctricas o controladas por servomotor. Para la regulación de presión a valores inferiores a los 10-6 mbar solo deben usarse válvulas de admisión de gas enteramente metálicas y secables.
Fundamentos de la tecnología de vacío
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
