Nombre del curso:

Sistemas Neumticos

Tema:

Tecnologa Piezoelctrica en vlvulas Neumticas

Nombres y Apellidos:

Fernando Vctor Huaman Daz

Docente:

Ing. Miguel ngel Len

Especialidad:

Mantenimiento de Maquinaria de PlantaIV Ciclo

Tecnologa Piezoelctrica en vlvulas NeumticasOBJETIVOS Analizar las caractersticas de los diferentes tipos de convertidores piezoelctricos. Conocer su principio de funcionamiento. Identificar las aplicaciones que tienen actualmente.

QU ES UN ELEMENTO PIEZOELCTRICO?Los elementos piezoelctricos son convertidores electromecnicos. En el caso del as llamado efecto piezoelctrico directo, el elemento piezoelctrico convierte fuerzas mecnicas (presin, expansin o aceleracin) en tensin elctrica cuantificable. Pero tambin existe el efecto piezoelctrico invertido: el elemento piezoelctrico se deforma cuando se aplica una tensin elctrica, obtenindose as movimientos o vibraciones mecnicas.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los materiales piezoelctricos, por lo general cermicas especiales con superficies conductoras, convierten la energa elctrica en energa mecnica y viceversa. La estructura reticulada de las molculas de estas cermicas es simtrica por debajo de la temperatura Curie TC, lo que significa que constituye un dipolo. Si se producen campos elctricos potentes, es posible polarizar de manera duradera los elementos piezoelctricos de cermica, lo que significa que se les confiere un sentido preferencial. En ese caso, la cermica tiene propiedades piezoelctricas y cambia su dimensin cuando se aplica una tensin elctrica. La deformacin se lleva a cabo a lo largo de las lneas de campo. Dado que la cermica como tal tiene un volumen constante, la contraccin del material se lleva a cabo transversalmente en relacin con las lneas de campo. La ventaja de estos actuadores piezoelctricos consiste en su accionamiento casi "excento de potencia". Aplicando criterios de electricidad, se trata de un condensador compuesto de dos placas conductoras y un elemento de cermica como dielctrico. nicamente fluye corriente para cargar el condensador. Sin embargo ese flujo es nulo una vez que se alcanza la carga total. Dado que la potencia elctrica se calcula multiplicando la tensin por la intensidad, la potencia tambin es igual a cero si no fluye corriente. Tratndose de aplicaciones en las que es importante consumir muy poca energa, incluso es posible recuperar esa energa cuando se repone el actuador. De esta manera, es posible aprovecharla durante la siguiente operacin de carga

TIPOS Y EJECUCIONES DE CONVERTIDORES PIEZOELCTRICOS Y SUS APLICACIONESDependiendo de la aplicacin, el efecto antes descrito puede obtenerse mediante diversos tipos de convertidores. Los tipos bsicos son convertidores por flexin, convertidores de disco y convertidores de discos apilados (piezostacks). De ellos se obtienen elementos piezoelctricos de estructuras complejas en mayor o menor medida. El convertidor por flexin El convertidor de disco Los convertidores de discos apilados

CONVERTIDOR POR FLEXIN El convertidor por flexin tiene una forma rectangular. Su elemento central es una pieza de cermica piezoelctrica con dos superficies conductoras. La cermica est conectada en un lado con un elemento de soporte conductor. La superficie conductora de la cermica y el elemento de soporte hacen las veces de electrodos. Si se aplica tensin en los electrodos, la cermica se expande en el mismo sentido del campo elctrico. En la mayora de los casos, el convertidor por flexin est montado en su parte frontal, lo que significa que el movimiento de flexin se produce en el lado que no est fijamente sujeto. Existen numerosas versiones de convertidores por flexin, con diversas fuerzas y movimientos de desviacin, muy apropiadas para el uso en vlvulas neumticas. Tpicamente la desviacin es de una dcima de milmetro y la fuerza es de hasta 1 N. Tambin se utiliza la versin especial triple, en la que el dorso del material de soporte tiene una capa de cermica adicional. De esta manera, el convertidor rinde ms y, gracias a su simetra, puede utilizarse dentro de un margen de temperatura ms amplio. Los convertidores por flexin se utilizan en tricotosas circulares, aparatos de lectura para ciegos (mdulos de Braille) y en vlvulas neumticas. Estas vlvulas suelen ser proporcionales y se utilizan para regular la presin y el caudal.

CONVERTIDOR DE DISCO El convertidor de disco tambin es un elemento piezoelctrico muy sencillo. Tiene la forma de un disco delgado de cermica pegado a un elemento de soporte metlico. Para generar el campo elctrico, la parte circular de la superficie del disco debe estar metalizada. Si se aplica tensin en el elemento de soporte y en el electrodo, se produce una expansin de la cermica en el mismo sentido del campo elctrico (igual que en el caso del convertidor por flexin). En este caso, aumenta el grosor del disco y su dimetro se reduce. En combinacin con el elemento pasivo de soporte, esta situacin provoca una flexin esfrica del sistema, parecido a lo que sucede en el caso de un elemento bimetlico. Esta flexin se aprovecha, por ejemplo, para el funcionamiento de altavoces de alta frecuencia, sensores, microbombas, ventiladores y generadores de ultrasonido, como suelen utilizarse en los sensores de distancias de los automviles.

CONVERTIDORES DE DISCOS APILADOS Los convertidores de discos apilados (piezostacks) son discos piezoelctricos apilados, unidos en serie mecnicamente y conectados elctricamente en paralelo. A diferencia de los convertidores de disco, en este caso no surte efecto la flexin de un material compuesto. El efecto se obtiene por la expansin directa en el sentido de las lneas de campo. Aunque en estos convertidores las carreras son mnimas (mximo 0,2% de la altura total), tienen la ventaja de aplicar fuerzas de hasta varios kN. Se utilizan en vlvulas reguladoras del flujo de lquidos (por ejemplo, en sistemas de inyeccin de combustible disel), as como en sistemas de microposicionamiento.

Actuadores piezoelctricos: datos tcnicos caractersticos; diversos tipos de convertidores

EL FUNCIONAMIENTO DE VLVULAS PIEZOELCTRICAS En el caso de vlvulas neumticas, suelen utilizarse convertidores por flexin como elementos piezoelctricos. El rendimiento de las vlvulas piezoelctricas depende de la magnitud del campo elctrico: cuanto mayor es la fuerza del campo, tanto mayor es la potencia del actuador y, por lo tanto, tambin el rendimiento de la vlvula. En comparacin con las electrovlvulas, las vlvulas piezoelctricas no necesitan de corriente de mantenimiento para permanecer en un estado de conmutacin. La mayor tensin de alimentacin en comparacin con las electrovlvulas nicamente tiene importancia durante la operacin de activacin. Aun as, el consumo de la energa necesaria para la activacin es mucho menor que el consumo de energa de accionamiento usual en la neumtica. Esta energa de activacin "E" se puede calcular de manera aproximada con la frmula E=CU/2 , siendo C la capacitancia del convertidor y U la tensin de activacin. Usualmente, los valores oscilan entre 0,5 y 5 mWs, ya que la capacitancia del convertidor suele ser de aproximadamente 30 nF, mientras que la tensin de mando puede llegar a ser de hasta 300 V DC. Es importante tener en cuenta lo siguiente: en el caso de las vlvulas piezoelctricas, la energa de activacin se expresa nicamente en milivatios por segundo. A diferencia de lo que sucede con las electrovlvulas, no es posible indicar la potencia en vatios. Una vez que est conectada una vlvula piezoelctrica y si, a continuacin, se interrumpe la conexin con la fuente de tensin, la vlvula mantiene su estado de conmutacin, ya que al producirse la interrupcin no pueden fluir portadores de carga. Para reponer el estado de la vlvula, es necesario retirar la carga activamente. Esto se consigue mediante el almacenamiento de la energa en otro sistema (recuperacin) o con la conversin en calor (cortocircuito). Por lo tanto, para el funcionamiento de la vlvula se necesita un conmutador en vez de un interruptor.

PARA REPONER EL ESTADO DE LA VLVULA PIEZOELCTRICA, DEBE INDUCIRSE INTENCIONADAMENTE LA DESCARGA.

GENERACIN DE ALTA TENSINPara el funcionamiento de vlvulas piezoelctricas se necesita alta tensin. Para generarla se aplica el principio del convertidor elevador (boost converter), que ha demostrado ser muy eficiente. Estos convertidores tienen un precio razonable y ocupan poco espacio. La alta tensin de induccin que se obtiene al desconectar cclicamente una bobina se almacena a travs de un diodo en un condensador. En el caso ms sencillo, se puede utilizar el convertidor piezoelctrico a modo de condensador. Con este circuito es posible alcanzar la tensin de salida de 300 V con una tensin de entrada de apenas 1 voltio. El oscilador para el conmutador es, con frecuencia, un microprocesador incluido en el sistema de control del equipo. Pero tambin se ofrecen circuitos integrados listos, concebidos especficamente para una determinada aplicacin. Tales mdulos tambin se encargan de la regulacin de la tensin en la salida y garantizan un ptimo grado de eficiencia, que en ese caso es claramente superior al 80%.

VENTAJAS DE LAS VLVULAS PIEZOELCTRICASEn el sector de las vlvulas neumticas de accionamiento elctrico, las electrovlvulas se han convertido en un estndar y cubren casi la totalidad del mercado. Sin embargo, las vlvulas piezoelctricas ofrecen muchas ventajas en comparacin con las electrovlvulas y, adems, son apropiadas para aplicaciones completamente nuevas.MNIMO CONSUMO DE ENERGA - SIN GENERACIN DE CALORDebido a sus cualidades capacitivas, las vlvulas piezoelctricas prcticamente no consumen energa para mantener su estado activo. Por lo tanto, no se calientan las vlvulas, a menos se trate de una aplicacin con accionamiento de alta frecuencia, ya que en ese caso se consume la energa de activacin de manera mucho ms frecuente. El consumo aumenta en la medida en que es necesaria una mayor frecuencia de conmutacin. La tcnica piezoelctrica es ideal para el sector de "muy baja potencia" (Very Low Power), en aparatos que funcionan con batera. En comparacin con las electrovlvulas, un conjunto de bateras tiene una duracin mucho mayor.SEGURIDAD INTRNSECAEn entornos con peligro de explosin se exige con frecuencia cada vez mayor la cualidad de "seguridad intrnseca". Un equipo elctrico tiene seguridad intrnseca si nicamente acumula como mximo la energa que es necesaria para que no se produzca un encendido de la atomsfera en caso de un fallo. Las vlvulas piezoelctricas cumplen esta condicin ptimamente, por lo que son especialmente apropiadas para el uso en aplicaciones que deben cumplir la condicin de seguridad intrnseca.VELOCIDAD DE CONMUTACINLas vlvulas piezoelctricas pueden ser extraordinariamente rpidas. Fcilmente llegan a las velocidades expresadas en magnitudes inferiores a microsegundos. Por esta razn, las vlvulas piezoelctricas son ideales en aplicaciones en las que la velocidad es decisiva. Por ejemplo, sistemas de alta velocidad de clasificacin de piezas, as como circuitos de regulacin en general, ya que la regulacin funciona tanto mejor, cuanto ms rpidamente reaccionan los componentes.PROPORCIONALIDADLa proporcionalidad es inmanente en la tcnica piezoelctrica. Considerando que, a fin de cuentas, todos los procesos neumticos de una aplicacin son procesos analgicos, esta es una ventaja imbatible pues puede prescindirse de la modulacin por ancho de pulsos, que genera ruidos molestos y que se utiliza para obtener cierta proporcionalidad en el funcionamiento de las electrovlvulas. Por esta razn, el desgaste de las vlvulas piezoelctricas es mnimo y su consumo de energa tambin lo es. Esta proporcionalidad, combinada con el mnimo tiempo de respuesta, consigue que las vlvulas piezoelctricas sean el elemento de control ideal en todos los sistemas de regulacin de alto nivel.

Antimagnticas La tecnologa piezoelctrica tambin puede utilizarse en zonas expuestas a campos magnticos muy intensos, como, por ejemplo, en sistemas de tomografa por resonancia magntica, sin que surja el riesgo que el equipo falle. Mnimo peso El cuerpo usualmente de material sinttico y, especialmente, la ausencia de hierro y cobre, tienen un efecto favorable en el peso. Bajo costeSi se necesitan grandes cantidades, esta tecnologa es una solucin apropiada. As lo demuestran, por ejemplo, los encendedores piezoelctricos, que cuestan muy poco. Gran duracin Si el sistema se configura correctamente, los actuadores piezoelctricos pueden alcanzar cantidades inusuales de ciclos. El actuador macizo no tiene piezas sometidas a friccin o que se desgasten. Limitacin No es posible reunir todas estas ventajas un una misma vlvula. Las vlvulas suelen configurarse en funcin de las exigencias de una aplicacin determinada, concedindosele preferencia a determinadas ventajas.

Las vlvulas piezoelctricas ofrecen numerosas ventajas

SECTORES INDUSTRIALES Y APLICACIONES: SISTEMAS PIEZOELCTRICOS EN EL FUTUROREGULACION DE CAUDAL En numerosas aplicaciones con reguladores de caudal se necesitan flujos energticos homogneos durante tiempos prolongados. Un buen ejemplo es la generacin de atmsferas artificiales como se necesitan en la industria de semiconductores durante los procesos de aplicacin de capas, as como en procesos de llenado. Una vlvula piezoelctrica cumple estas funciones fcilmente, ya que se trata de estados estacionarios en los que prcticamente no se consume energa. Si, por lo contrario, se utiliza una vlvula con modulacin por ancho de pulsos, esta vlvula est expuesta a un gran esfuerzo, tanto en trminos energticos como mecnicos. La duracin de estos sistemas es relativamente corta, por lo que es preferible utilizar en estos casos la tecnologa piezoelctricaMANIPULACIN CUIDADOSA DE PIEZAS FRGILESUna solucin muy apropiada para la manipulacin de piezas sensibles es el "speedcontroller" o controlador de velocidad para cilindros neumticos de doble efecto. Con l es posible conseguir que el cilindro ejecute recorridos con velocidad regulada y con movimientos suaves y sin sacudidas. Con ese fin se montan cuatro vlvulas piezoelctricas en un sistema provisto de una unidad de control, y se conectan a un cilindro de doble efecto. A continuacin, la velocidad se regula manteniendo constante el escape de aire del cilindro. Este sistema de bajo coste funciona prescindiendo de un costoso sistema de medicin de recorrido. Adems, permite una puesta en movimiento suave y un frenado suave tambin.APLICACIN INDUSTRIAL DE PEGAMENTO: DOSIFICACIN PRECISA Y RPIDA Para evitar un goteo indebido, es necesario generar vaco inmediatamente despups de la aplicacin del pegamento. Adems, es indispensable que la dosificacin sea extremadamente precisa, principalmente si se trata del montaje de piezas muy pequeas. Los equipos convencionales funcionan normalmente con dos vlvulas, una para el vaco y la otra para la presin. En este caso, las vlvulas piezoelctricas son mucho ms precisas y rpidas. La regulacin de la presin y del vaco estn a cargo de la misma vlvula, por lo que es posible prescindir de una segunda vlvula.

PRODUCCIN DE SEMICONDUCTORES: PULIDO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS Gracias a su gran precisin y a la rapidez con la que se alcanzan los valores nominales definidos, la vlvula piezoelctrica est predestinada para el uso en sistemas de produccin de semiconductores. En esta aplicacin, es necesario dosificar de manera muy precisa cantidades extremadamente pequeas de aire, con el fin de cumplir con las estrictas exigencias que se plantean en relacin con el tratamiento de los componentes. Al pulir las placas fotovoltaicas, por ejemplo, el reto consiste en presionar las placas contra la mesa giratoria de pulido aplicando una presin regulada con gran precisin. nicamente as es posible obtener una superficie completamente plana. Para conseguir un resultado perfecto, se presionan varias membranas anulares sobre la placa fotovoltaica. Estas membranas se controlan con gran precisin, tanto con vaco como con presin. Las vlvulas piezoelctricas pueden asumir ambas funciones en una misma unidad, por lo que, adems, ocupan menos espacio.TCNICA MDICA: APARATOS MVILES DE RESPIRACIN ARTIFICIAL Los componentes de los respiradores artificiales utilizados en aplicaciones mdicas deben cumplir determinados criterios muy estrictos. Para que el paciente pueda moverse aunque est utilizando un respirador, ste debe ser compacto y pesar poco. Adems, estos aparatos funcionan con una batera, por lo que no deben consumir mucha energa. Considerando que muchos pacientes dependen de un respirador artificial tambin de noche, es recomendable que el aparato sea lo ms silencioso posible. Las vlvulas piezoelctricas son la solucin apropiada, ya que en esta aplicacin se pueden aprovechar muchas de sus ventajas.

UTENSILIOS DE CIRUJA: OFTALMOLOGA Regulacin neumtica de los utensilios utilizados para operaciones de cataratas, una de las intervenciones quirrgicas ms frecuentes en la actualidad. Cuando se agrava la catarata, por lo general por razones de edad, esta operacin es el nico tratamiento posible. Durante la intervencin se retira el cristalino opaco y se sustituye por un lente interocular (LIO) artificial. Los utensilios empleados en esta intervencin quirrgica funcionan neumticamente. Y entre los componentes ms importantes del equipo estn las vlvulas piezoelctricas, utilizadas para regular la presin y el vaco. Adems, deben manipularse diversos lquidos (humor acuoso en la cmara anterior del ojo) y soluciones substitutivas (infusiones). Con las vlvulas piezoelctricas es posible dosificar con gran precisin, as como regular el flujo de los lquidos y la solucin sustitutiva del humor vtreo.ASIENTOS CONFORTABLES EN EL AUTOMVIL: ADAPTACIN ERGONMICA MEDIANTE SEGMENTOS INFLABLES. En la actualidad encontramos vlvulas piezoelctricas tambin en los asientos de los automviles. En esta aplicacin, las vlvulas piezoelctricas se encargan de llenar o vaciar silenciosamente los segmentos inflables que logran que el conductor se sienta ms a gusto. Los segmentos inflables se encuentran en los costados de la banqueta y del respaldo, de manera que le ofrecen al conductor una mayor sujecin lateral. Estas cmaras se llenan de aire automticamente si as lo aconseja el estilo de conduccin. El grado de sujecin lateral que ofrecen los dos asientos delanteros vara segn sea necesario, lo que significa que las vlvulas piezoelctricas deben reaccionar muy rpidamente para llenar o vaciar los segmentos inflables. La operacin se ejecuta en funcin del ngulo de giro del volante, de la aceleracin lateral que experimenta el coche y de la velocidad del coche. Por ejemplo, si se traza una curva hacia la izquierda a gran velocidad, se inflan los segmentos de lado derecho de cada asiento.

EL FUTURO CON VLVULAS PIEZOELCTRICAS Gracias a sus caractersticas, la tcnica de las vlvulas piezoelctricas permite que los productos del futuro tengan campos de aplicacin mucho ms amplios. Por ejemplo, se utilizan en los asistentes binicos de manipulacin de Festo, premiados por su innovadora tecnologa. La posibilidad de dosificar aire comprimido de manera precisa y especfica y, adems, la ocupacin de un espacio mucho menor para el montaje en comparacin con otro tipo de vlvulas, son razones decisivas para la utilizacin de vlvulas piezoelctricas en los sistemas de manipulacin binicos.DIVERSOS TIPOS DE VLVULAS PIEZOELCTRICAS Y SUS VENTAJASLas vlvulas piezoelctricas pueden asumir una gran cantidad de funciones de vlvulas en una gran variedad de aplicaciones. A continuacin se ofrecen algunos ejemplos con diversos tipos de valvulas piezoelctricas de la marca Festo.

Vlvulas piezoelctricas de la marca Festo1 Vlvula de 2/2 vas VEMR 2 Vlvula de 3/3 vas VEMC/VOMP 3 Terminal de vlvulas proporcionales reguladoras de presin VEMA 4 Vlvula proporcional reguladora de presin, de accionamiento directo VEAB 5 Vlvula de 3/3 vas VEAA

Vlvula de 2/2 vas VEMR Gracias al asiento recambiable, estas vlvulas pueden utilizarse en las aplicaciones ms diversas, ya que la presin y el flujo dependen fundamentalmente del dimetro del asiento. En las mquinas de respiracin artificial, la vlvula VEMR regula especficamente la alimentacin y dosificacin del oxgeno cuando el paciente aspira. Combinada con un sensor de caudal, la VEMR se transforma en una vlvula proporcional reguladora de caudal.Vlvula de 3/3 vas VEMC o VOMPEstas vlvulas tambin se conocen por el nombre de convertidor de discos apilados. El convertidor por flexin especial funciona sobre la base de movimientos diferenciales, por lo que es capaz de compensar casi completamente errores ocasionados por cambios de temperatura. Las VEMC/VOMP son especialmente apropiadas para regular la presin (por ejemplo, en aparatos de drenaje de lquido linftico), aunque tambin se pueden utilizar como unidades de derivacin, por ejemplo para utilizar a dos caudales diferentes. Combinadas con un sensor de caudal y la electrnica de regulacin correspondiente, las VEMC/VOMP se convierten en vlvulas proporcionales reguladoras de presin.Terminal de vlvulas proporcionales reguladoras de presin VEMACon ocho canales, control mediante microprocesador y combinacin con bus de campo, la tecnologa piezoelctrica demuestra sus ventajas en esta aplicacin. 8 vlvulas VEMC: espacio 10 veces menor para el montaje, ya que durante el funcionamiento no se produce calor que podra ser peligroso Instalacin sencilla con una sola fuente de alimentacin de vaco y de presin para todas las vlvulas Accionamiento a travs de CAN-Bus: conexin sencilla de todos los terminales de vlvulas entre s o a otros aparatos Posibilidad de incluir diodos luminosos para reconocer rpidamente el estado de funcionamiento.Vlvula de 3/3 vas VEAA Este vlvula contiene un convertidor que puede moverse en dos sentidos, cerrando el contacto P o R. Gracias al amplio margen de alimentacin desde vaco hasta 12 bar, esta vlvula es ideal para numerosas aplicaciones industriales que exigen un sistema de regulacin de la presin.Vlvula proporcional reguladora de presin, de accionamiento directo VEAB Las vlvulas de este tipo son vlvulas proporcionales que ponen a disposicin una presin inicial a travs de un mdulo electrnico integrado y provisto de un sensor de presin. El valor nominal puede definirse como valor de tensin de 0 5 V o de 0 10 V, o bien como corriente de 4 ... 20 mA. Asimismo tambin se obtiene una seal de igual margen en la pantalla. Llama la atencin la relacin entre el tamao y el caudal y, adems, tambin resultan interesantes las siguientes caractersticas: tiempos de respuesta inferiores a 10 ms, regulacin de la presin extremadamente precisa, mnimo consumo de energa, ausencia de ruidos de conmutacin.