أنواع المستشعرات

المتحولات: التعريف، الوظائف، والتصنيف

المتحول هو جهاز إلكتروني يلعب دورًا حاسمًا في تحويل الكميات الفيزيائية إلى إشارات كهربائية. له وظيفتان أساسيتان: الاستشعار والتحويل. أولاً، يقوم بتحديد الكمية الفيزيائية المعنية، مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الإزاحة. ثم، يقوم بتحويل هذه الكمية الفيزيائية إلى عمل ميكانيكي أو، بشكل أكثر شيوعًا، إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها وتجهيزها وتحليلها بسهولة.

تتوفر المتحولات في مجموعة متنوعة من الأنواع ويمكن تصنيفها وفقًا لمعايير مختلفة:

• بناءً على آلية التحويل المستخدمة: هذا التصنيف يركز على العمليات الفيزيائية أو الكيميائية المحددة التي تقوم بها المتحولة بتحويل الكمية الفيزيائية المدخلة إلى إخراج كهربائي. تختلف آليات التحويل لتتناسب مع أنواع مختلفة من القياسات والتطبيقات، مما يسمح بالاستشعار الدقيق والموثوق به عبر مجموعة واسعة من الظواهر الفيزيائية.

• كما المتحولات الأساسية والثانوية: تقوم المتحولة الأساسية بتحويل الكمية الفيزيائية المقيسة مباشرة إلى إشارة كهربائية. في المقابل، تعمل المتحولة الثانوية مع المتحولة الأساسية، وتقوم بتعديل أو تجهيز الإشارة الكهربائية التي تولدها الجهاز الأساسي لتحسين قابليتها للتطبيق أو دقتها.

• كما المتحولات السلبية والنشطة: تعتمد المتحولات السلبية على مصدر طاقة خارجي للعمل وتنتج إشارة خرج هي دالة على الكمية الفيزيائية المدخلة والطاقة المطبقة. بينما تحتوي المتحولات النشطة على مصدر طاقة خاص بها ويمكنها إنتاج إشارة خرج دون الحاجة لمصدر طاقة خارجي، مما يوفر حساسية أكبر وقوة إشارة أعلى.

• كما المتحولات التناظرية والرقمية: تنتج المتحولات التناظرية إشارة خرج تتغير بشكل مستمر مع الكمية الفيزيائية المدخلة، عادةً في شكل فولت أو أمبير. بينما تقوم المتحولات الرقمية بتحويل الكمية المدخلة إلى إشارة رقمية متقطعة، والتي تكون أسهل في التجهيز والتخزين والإرسال باستخدام الأنظمة الإلكترونية والحوسبة الرقمية الحديثة.

• كما المتحولات والمتحولات العكسية: تقوم المتحولة القياسية بتحويل كمية فيزيائية إلى إشارة كهربائية. بينما تقوم المتحولة العكسية بأخذ إشارة كهربائية كمدخل وتحويلها مرة أخرى إلى كمية فيزيائية، مما يعكس العملية التقليدية للمتحول. هذا المفهوم مفيد في التطبيقات التي تتطلب التحكم الكهربائي لإنتاج استجابة فيزيائية محددة.

في التشغيل، يتلقى المتحول المقيس - الكمية الفيزيائية التي يتم قياسها - وينتج إشارة خرج تناسبية مع مقدار المدخل. يتم بعد ذلك نقل هذه الإشارة الخرج إلى جهاز تكييف الإشارة. هنا، تخضع الإشارة لسلسلة من العمليات، بما في ذلك التعتيم (ضبط سعة الإشارة)، والتصفية (إزالة الضوضاء أو الترددات غير المرغوب فيها)، والتهييج (ترميز الإشارة لنقل أفضل أو تجهيز). هذه الخطوات تضمن أن يكون الإشارة الخرج في الشكل الأمثل للتحليلات والعرض أو عمليات التحكم اللاحقة.

عادة ما تكون الكمية المدخلة للمتحول كمية غير كهربائية، بينما يمكن أن تكون الإشارة الخرج الكهربائية في شكل تيار أو فولت أو تردد.

1. التصنيف بناءً على مبدأ التحويل

يمكن تصنيف المتحولات وفقًا للوسيلة التي يستخدمونها في التحويل. يمكن أن تكون الوسيلة مقاومة أو استقرائية أو سعتية. يتم تحديد هذا التصنيف بواسطة عملية التحويل التي يقوم بها المتحول المدخل بتحويل الإشارة المدخلة إلى مقاومة أو استقراء أو سعة على التوالي. كل نوع من الوسائل له خصائصه الفريدة ومناسب لتطبيقات القياس المختلفة، مما يمكّن من تحويل مختلف الكميات الفيزيائية بدقة إلى إشارات كهربائية.

2. المتحولات الأساسية والثانوية

• المتحول الأساسي
  غالبًا ما يتكون المتحول من مكونات ميكانيكية وكهربائية. الجزء الميكانيكي للمتحول مسؤول عن تحويل الكميات المدخلة الفيزيائية إلى إشارة ميكانيكية. يُشار إلى هذا المكون الميكانيكي باسم المتحول الأساسي. يعمل كعنصر استشعار أولي، يتفاعل مباشرة مع الكمية الفيزيائية المقاسة، مثل الضغط أو درجة الحرارة أو الإزاحة، ويقوم بتحويلها إلى شكل ميكانيكي يمكن تجهيزه بشكل أكبر.

• المتحول الثانوي
  يقوم المتحول الثانوي بتحويل الإشارة الميكانيكية التي تولدها المتحول الأساسي إلى إشارة كهربائية. مقدار الإشارة الكهربائية الخرج مرتبطة مباشرة بخصائص الإشارة الميكانيكية المدخلة. بهذه الطريقة، يربط المتحول الثانوي بين المجالين الميكانيكي والكهربائي، مما يجعل من الممكن قياس وتحليل الكمية الفيزيائية الأصلية باستخدام تقنيات القياس والتجهيز الكهربائية.

مثال على المتحولات الأساسية والثانوية

خذ أنبوب بوردون كمثال، كما هو موضح في الشكل أدناه. يعمل أنبوب بوردون كمتحول أساسي. تم تصميمه للكشف عن الضغط وتحويله إلى إزاحة في نهايته الحرة. عندما يتم تطبيق الضغط على الأنبوب، يتغير شكله، مما يؤدي إلى حركة نهاية الأنبوب الحرة. تعتبر هذه الإزاحة بمثابة المدخل للمرحلة التالية من النظام.

حركة نهاية أنبوب بوردون الحرة تسبب تحرك النواة داخل المحول المتغير الخطي للإزاحة (LVDT). عند تحرك النواة داخل LVDT، ينتج عنه فولت خرج. يعتبر هذا الفولت الخرج متناسبًا مباشرة مع الإزاحة لنهاية الأنبوب الحرة، وبالتالي مع الضغط الأصلي المطبق على أنبوب بوردون.

في حالة نظام أنبوب بوردون - LVDT، يحدث اثنان من عمليات التحويل. أولاً، يحدث التحويل الأساسي عندما يقوم أنبوب بوردون بتحويل الضغط إلى إزاحة. ثم، يحدث التحويل الثانوي عندما يقوم LVDT بتحويل هذه الإزاحة إلى إشارة فولت كهربائية. يوضح هذا المثال بشكل واضح كيف تعمل المتحولات الأساسية والثانوية معًا لقياس وتحويل كمية فيزيائية بدقة إلى إخراج كهربائي للاستخدام والتحليل اللاحق.

يعمل أنبوب بوردون كمتحول أساسي، بينما يعمل المحول المتغير الخطي للإزاحة (L.V.D.T.) كمتحول ثانوي.

3. المتحولات السلبية والنشطة

يمكن أيضًا تصنيف المتحولات إلى أنواع نشطة وسلبية، ولكل منها خصائص تشغيلية مميزة.

المتحولات السلبية

المتحول السلبي هو الذي يعتمد على مصدر طاقة خارجي للعمل، وهو ما يُعرف أيضًا بالمتحول الخارجي القوة. تعد المتحولات السعتية والمقاومة والاستقرائية أمثلة نموذجية للمتحولات السلبية. تعمل هذه المتحولات عن طريق تعديل خاصية كهربائية (مثل المقاومة أو السعة أو الاستقراء) ردًا على الكمية الفيزيائية المدخلة. ومع ذلك، لا تولد هذه المتحولات طاقة كهربائية خاصة بها، بل تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي لإنتاج إشارة خرج قابلة للقياس تعكس التغيير في الكمية الفيزيائية المقاسة.

المتحولات النشطة

بالنسبة للمتحول النشط، فإنه لا يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي للعمل. هذه المتحولات ذاتية التوليد، مما يعني أنها يمكن أن تنتج فولت أو تيار خرج. الإشارة الخرج للمتحول النشط مشتقة مباشرة من الكمية الفيزيائية المدخلة. يمكن للمتحولات النشطة تحويل ظواهر فيزيائية مختلفة، مثل السرعة ودرجة الحرارة والقوة ومكثف الضوء، إلى إشارات كهربائية دون الاعتماد على مصدر طاقة خارجي. أمثلة على المتحولات النشطة تشمل البلورات الكهروضوئية والخلايا الشمسية والمحركات الكهربائية والحرارية.

مثال: البلورة الكهروضوئية

لتوضيح عملية المتحول النشط، ضع في اعتبارك البلورة الكهروضوئية. غالبًا ما يتم وضع البلورة الكهروضوئية بين كهربائيين معدنيين، ويتم تثبيت التجميع بأمان على قاعدة. يتم وضع كتلة فوق هذا التجميع.

تتميز البلورات الكهروضوئية بخاصية فريدة: عندما يتم تطبيق قوة عليها، تولد فولت كهربائي. في التجميع المذكور، يمكن أن تختبر القاعدة تسريعًا، مما يؤدي إلى تطبيق القوة على البلورة. هذه القوة، بدورها، تؤدي إلى إنتاج فولت خرج عبر البلورة. مقدار هذا الفولت الخرج متناسب مباشرة مع التسارع الذي تختبره القاعدة، مما يحول التسارع الميكانيكي إلى إشارة كهربائية. يوضح هذا المثال بشكل واضح كيف يمكن للمتحولات النشطة أن تولد إشارات كهربائية ذاتية بناءً على المدخلات الفيزيائية، مما يبرز وظيفتها المميزة مقارنة بالمتحولات السلبية.

يُعرف المتحول المذكور أعلاه باسم العجلومتر، والذي صمم لتحويل التسارع إلى فولت كهربائي. من الجدير بالذكر أن هذا النوع من المتحولات يعمل دون الحاجة إلى أي مصدر طاقة مساعد أثناء تحويل الكمية الفيزيائية إلى إشارة كهربائية، مما يظهر طبيعته الذاتية في توليد الإشارات.

4. المتحولات التناظرية والرقمية

يمكن أيضًا تصنيف المتحولات بناءً على طبيعة إشاراتها الخرج، والتي قد تكون مستمرة أو متقطعة.

المتحولات التناظرية

تقوم المتحولة التناظرية بتحويل الكمية المدخلة إلى دالة مستمرة. هذا يعني أن الإشارة الخرج تتغير بشكل سلس ومستمر رداً على التغييرات في المدخل. أمثلة على المتحولات التناظرية تشمل مقاييس الشد، المحولات المتغيرة الخطي للإزاحة (LVDTs)، الحراريات، والمقاومات الحرارية. تستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في العديد من التطبيقات حيث يتم استدعاؤها للحصول على تمثيل تناسبي ومستمر للكمية الفيزيائية المقاسة، مثل في أنظمة القياس الدقيقة وأنظمة التحكم الصناعي.

المتحولات الرقمية

أما المتحولات الرقمية، فتقوم بتحويل الكمية المدخلة إلى إشارة رقمية، عادةً في شكل نبضات. تعمل الإشارات الرقمية بناءً على الحالات الثنائية، حيث تمثل المعلومات بمستويات طاقة "مرتفعة" أو "منخفضة". يقدم هذا التنسيق الرقمي للإخراج العديد من المزايا، بما في ذلك زيادة المناعة ضد الضوضاء، وسهولة التكامل مع الأجهزة الإلكترونية والأنظمة الحاسوبية الرقمية، ومعالجة البيانات وتخزينها بطريقة أكثر بساطة. يتم تبني المتحولات الرقمية بشكل متزايد في أنظمة القياس والتحكم الحديثة بسبب انتشار التكنولوجيا الرقمية.

5. المتحولات والمتحولات العكسية

المتحولات

يُعرف المتحول بأنه جهاز يقوم بتحويل الكميات غير الكهربائية إلى كميات كهربائية. تتيح عملية التحويل هذه قياس ومراقبة وتحكم في مجموعة متنوعة من الظواهر الفيزيائية، مثل درجة الحرارة والضغط والإزاحة والقوة، باستخدام تقنيات القياس والتجهيز الكهربائية. تلعب المتحولات دورًا حاسمًا في مجموعة واسعة من التطبيقات، من الأتمتة الصناعية إلى البحث العلمي والإلكترونيات الاستهلاكية.

المتحولات العكسية

تقوم المتحولات العكسية بوظيفة عكسية للمتحولات التقليدية. تقوم بتحويل الكميات الكهربائية مرة أخرى إلى الكميات الفيزيائية. عادةً ما تكون لهذه المتحولات مدخل كهربائي عالي ومخرج فيزيائي منخفض. تستخدم المتحولات العكسية في التطبيقات التي تحتاج إلى ترجمة الإشارات الكهربائية إلى أفعال أو استجابات فيزيائية، مثل بعض أنواع الأجهزة التنفيذية وأنظمة التحكم. يوفر مفهوم المتحولات العكسية وسيلة لإغلاق الحلقة بين التحكم الكهربائي والعمل الفيزيائي، مما يسهل التحكم الأكثر تعقيدًا ودقة في الأنظمة الميكانيكية والفيزيائية.