Типове преобразувател

Преобразуватели: Дефиниция, функции и класификация

Преобразувателят е електронно устройство, което играе ключова роля в преобразуването на физични величини в електрически сигнали. Той изпълнява две основни функции: сензация и преобразуване. Първо, той открива интересната физична величина, като температура, налягане или разместване. След това преобразува тази физична величина в механична работа или, по-често, в електрически сигнал, който може лесно да бъде измерен, обработен и анализиран.

Преобразувателите съществуват в широк спектър от типове и могат да бъдат класифицирани според няколко различни критерия:

• Според използваната механизма за преобразуване: Тази класификация се концентрира върху конкретните физически или химически процеси, чрез които преобразувателят преобразува входящата физична величина в електрически изход. Различните механизми за преобразуване са адаптирани към различни видове измервания и приложения, позволявайки точна и надеждна сензация в широк спектър от физични явления.

• Като основни и вторични преобразуватели: Основният преобразувател директно преобразува измерената физична величина в електрически сигнал. В сравнение, вторичният преобразувател работи в съчетание с основния преобразувател, допълнително модифицирайки или обработвайки електрическия сигнал, генериран от основното устройство, за да повиши неговата полезност или точност.

• Като пасивни и активни преобразуватели: Пасивните преобразуватели се нуждаят от външно електропитание, за да работят, и произвеждат изходен сигнал, който е функция на входящата физична величина и приложената мощност. Активните преобразуватели, от друга страна, съдържат собствено електропитание и могат да генерират изходен сигнал без необходимостта от външно електропитание, често предоставяйки по-голяма чувствителност и сила на сигнала.

• Като аналогови и цифрови преобразуватели: Аналоговите преобразуватели произвеждат изходен сигнал, който варира непрекъснато с входящата физична величина, обикновено във формата на напрежение или ток. Цифровите преобразуватели, в сравнение, преобразуват входящата величина в дискретен цифров сигнал, който е по-лесен за обработка, съхранение и предаване със съвременните цифрови електронни и компютърни системи.

• Като преобразуватели и обратни преобразуватели: Стандартният преобразувател преобразува физична величина в електрически сигнал. Обратният преобразувател, обратно, приема електрически сигнал като вход и го преобразува обратно в физична величина, ефективно обръщайки процеса на традиционния преобразувател. Този концепт е полезен в приложения, където е необходимо електрическо управление, за да се генерира специфичен физичен отговор.

Във време на работа преобразувателят приема измерваната величина - физичната величина, която се измерва, и произвежда изходен сигнал, който е пропорционален на големината на входа. Този изходен сигнал се предава към устройство за обработка на сигнала. Тук, сигналът подлежи на серия от процеси, включително ослабяване (регулиране на амплитудата на сигнала), филтриране (премахване на нежелан шум или честоти) и модулация (кодиране на сигнала за по-добро предаване или обработка). Тези стъпки гарантират, че крайният сигнал е в оптимална форма за последваща анализа, визуализация или контрол на операции.

Входящата величина на преобразувателя обикновено е неелектрична величина, докато изходният електрически сигнал може да е във формата на ток, напрежение или честота.

1. Класификация според принципа на преобразуване

Преобразувателите могат да бъдат класифицирани според медиумите за преобразуване, които използват. Медиумите за преобразуване могат да бъдат резистивни, индуктивни или капацитивни. Тази класификация се определя от преобразувателния процес, чрез който входният преобразувател преобразува входния сигнал в съответно съпротивление, индуктивност или капацитет. Всяка вид медиум за преобразуване има свои уникални характеристики и е подходяща за различни измервателни приложения, позволявайки точното преобразуване на различни физични величини в електрически сигнали.

2. Основни и вторични преобразуватели

• Основен преобразувател
  Преобразувателят често съдържа както механични, така и електрически компоненти. Механичната част на преобразувателя е отговорна за преобразуването на физичните входни величини в механичен сигнал. Този механичен компонент се нарича основен преобразувател. Той действа като първоначален сензор, директно взаимодействайки с измерваната физична величина, като налягане, температура или разместване, и преобразуващ я в механична форма, която може да бъде допълнително обработена.

• Вторичен преобразувател
  Вторичният преобразувател приема механичния сигнал, генериран от основния преобразувател, и го преобразува в електрически сигнал. Големината на изходния електрически сигнал е пряко свързана с характеристиките на входния механичен сигнал. По този начин вторичният преобразувател свързва механичната и електрическата области, правейки възможно измерването и анализирането на оригиналната физична величина чрез електрически методи за измерване и обработка.

Пример за основен и вторичен преобразуватели

Вземете тръбата на Бурдон, както е показано на фигурата по-долу, като пример. Тръбата на Бурдон функционира като основен преобразувател. Тя е проектирана да детектира налягане и да го преобразува в разместване на свободния ѝ край. Когато налягане се прилага към тръбата, формата ѝ деформира, причинявайки свободния край да се движи. Това разместване после действа като вход за следващата стадия на системата.

Движението на свободния край на тръбата на Бурдон причинява ядрото на Линейния Променлив Дисплейсментен Трансформатор (LVDT) да се премести. Когато ядрото се движи в LVDT, то индуцира изходно напрежение. Това индуцирано напрежение е пряко пропорционално на разместването на свободния край на тръбата, и следователно, на оригиналното налягане, приложено към тръбата на Бурдон.

В случая с системата тръба на Бурдон - LVDT, се случват два различни преобразувателни процеса. Първо, основното преобразуване се случва, когато тръбата на Бурдон преобразува налягането в разместване. След това, вторичното преобразуване се случва, когато LVDT преобразува това разместване в електрически напрежен сигнал. Този пример ясно демонстрира как основният и вторичният преобразуватели работят заедно, за да измерват и преобразуват точно физична величина в електрически изход за допълнителна анализа и употреба.

Тръбата на Бурдон служи като основен преобразувател, докато L.V.D.T. (Линейният Променлив Дисплейсментен Трансформатор) функционира като вторичен преобразувател.

3. Пасивни и активни преобразуватели

Преобразувателите могат също да бъдат класифицирани като активни и пасивни, всеки със свои специфични операционни характеристики.

Пасивни преобразуватели

Пасивният преобразувател е този, който се нуждае от външно електропитание, за да работи, затова се нарича и внешне питан преобразувател. Капацитивните, резистивните и индуктивните преобразуватели са типични примери за пасивни преобразуватели. Тези преобразуватели работят, като модифицират електрическа характеристика (като съпротивление, капацитет или индуктивност) в отговор на входящата физична величина. Но те не генерират собствена електрическа енергия; вместо това, те изискват външен източник на мощност, за да произведат измерим изходен сигнал, който отразява промяната в измерваната физична величина.

Активни преобразуватели

В сравнение, активният преобразувател не изисква външно електропитание за работа. Тези преобразуватели са само-генериращи, което означава, че могат да произвеждат собствено напрежение или ток. Изходният сигнал на активния преобразувател е директно изведен от входящата физична величина. Активните преобразуватели са способни да преобразуват различни физични явления, като скорост, температура, сила и интензивност на светлина, в електрически сигнали, без да се нуждаят от външно електропитание. Примери за активни преобразуватели включват пиезоелектрични кристали, фотоелектрични клетки, тахогенератори и термопарни.

Пример: Пиезоелектричен кристал

За илюстрация на работата на активен преобразувател, разгледайте пиезоелектричния кристал. Пиезоелектричният кристал обикновено е слаган между две метални електроди, а цялата конструкция е здраво закрепена към основа. Маса се поставя върху тази конструкция.

Пиезоелектричните кристали притежават уникална свойство: когато сила се прилага към тях, те генерират електрическо напрежение. В описаната конструкция, основата може да изпита ускорение, което причинява масата да извърши сила върху кристала. Тази сила, по своя ред, индуцира изходно напрежение през кристала. Големината на това изходно напрежение е пряко пропорционална на ускорението, изпитано от основата, ефективно преобразувайки механичното ускорение в електрически сигнал. Този пример ясно демонстрира как активните преобразуватели могат да само-генерираме електрически изходи на базата на физически входи, подчертавайки техния уникален функционалност в сравнение с пасивните преобразуватели.

По-горе споменатият преобразувател се нарича акселерометър, който е проектиран да преобразува ускорението в електрическо напрежение. Забележително е, че този тип преобразувател работи без нужда от допълнителен източник на мощност по време на преобразуването на физичната величина в електрически сигнал, показвайки неговата самодостатъчна природа в генерирането на сигнали.

4. Аналогови и цифрови преобразуватели

Преобразувателите могат също да бъдат класифицирани според природата на техните изходни сигнали, които могат да бъдат непрекъснати или дискретни.

Аналогови преобразуватели

Аналоговият преобразувател преобразува входящата величина в непрекъсната функция. Това означава, че изходният сигнал варира гладко и непрекъснато в отговор на промените в входа. Примери за аналогови преобразуватели включват стрейн геи, Линейни Променливи Дисплейсментни Трансформатори (LVDTs), термопари и термистори. Тези устройства се използват широко в различни приложения, където е необходима пропорционална и непрекъсната представа на измерената физична величина, като в прецизни измервателни системи и индустриални процеси за контрол.

Цифрови преобразуватели

Цифровите преобразуватели, от друга страна, преобразуват входящата величина в цифров сигнал, обикновено във формата на импулси. Цифровите сигнали работят на базата на двоични състояния, представлявайки информация като "високо" или "ниско" ниво на мощност. Този цифров формат на изход предлага няколко предимства, включително подобряване на имунитета към шума, по-лесна интеграция с цифрови електронни и компютърни системи, и по-просто обработване и съхранение на данни. Цифровите преобразуватели все по-често се използват в съвременните измервателни и контролни системи поради преобладаващата роля на цифровите технологии.

5. Преобразуватели и обратни преобразуватели

Преобразуватели

Преобразувателят е дефиниран като устройство, което преобразува неелектрични величини в електрични величини. Този преобразувателен процес позволява измерване, мониторинг и контрол на различни физични явления, като температура, налягане, разместване и сила, чрез електрически методи за измерване и обработка. Преобразувателите играят ключова роля в широк спектър от приложения, от индустриална автоматизация до научни изследвания и потребителска електроника.

Обратни преобразуватели

Обратните преобразуватели изпълняват противоположната функция на традиционните преобразуватели. Те преобразуват електрически величини обратно в физични величини. Тези преобразуватели обикновено имат висок електрически вход и съответстващ нисък неелектрически изход. Обратните преобразуватели се използват в приложения, където електрическите сигнали трябва да бъдат транслирани във физически действия или реакции, като в определени видове актуатори и контролни системи. Концепцията за обратни преобразуватели предоставя средство за затваряне на кръга между електрическия контрол и физическата операция, осигурявайки по-сложен и точен контрол на механични и физически системи.