Siirtimet tyyppiä

Muuntimet: Määritelmä, toiminta ja luokittelu

Muuntimet ovat sähköisiä laitteita, jotka näyttelevät keskeistä roolia fyysisiä määriä sähköiseksi signaaliksi muuntaessaan. Niillä on kaksi perustavanlaatuista toimintoa: havaitseminen ja muuntaminen. Ensiksi ne havaitsevat kiinnostuksen kohteena olevan fyysisen määrän, kuten lämpötilan, paineen tai siirtymän. Sitten ne muuntavat tämän fyysisen määrän joko mekaaniseksi työksi tai useammin sähköiseksi signaaliksi, joka voidaan helposti mitata, käsitellä ja analysoida.

Muuntimia on suuri valikoima erilaisia tyyppiä, ja niitä voidaan luokitella useiden erilaisten kriteerien mukaan:

• Käytetyn muuntomuodin perusteella: Tämä luokitus keskittyy siihen, millä tarkoituksella muuntimet muuntavat syöttötiedon fyysisen määrän sähköiseksi ulostuloksi. Eri muuntomenetelmiä on suunniteltu erilaisiin mittauksiin ja sovelluksiin, mikä mahdollistaa tarkkan ja luotettavan havainnoinnin laajalla spektrilla fyysisiä ilmiöitä kattavissa.

• Päämuuntimet ja toissijaiset muuntimet: Päämuuntimet muuntavat suoraan mitatun fyysisen määrän sähköiseksi signaaliksi. Toissijainen muuntimet toimivat yhdessä päämuuntimen kanssa, muokkaamalla edelleen tai käsittelemällä päälaite tuottamaa sähköistä signaalia sen käyttökelpoisuuden tai tarkkuuden parantamiseksi.

• Passiiviset ja aktiiviset muuntimet: Passiiviset muuntimet toimivat ulkopuolisen virranlähteen avulla ja tuottavat ulostulon, joka on syöttötiedon fyysisen määrän ja sovelletun voiman funktiona. Aktiiviset muuntimet sisältävät omansa virranlähteen eivätkä tarvitse ulkopuolista virranlähdettä, ja ne voivat usein tarjota suurempaa herkkyyttä ja signaalivoimakkuutta.

• Analogiset ja digitaaliset muuntimet: Analogiset muuntimet tuottavat ulostulon, joka vaihtelee jatkuvasti syöttötiedon fyysisen määrän mukaan, yleensä jännitteen tai sähkövirran muodossa. Digitaaliset muuntimet puolestaan muuntavat syöttötiedon diskreetiksi digitaaliseksi signaaliksi, joka on helpompaa käsitellä, tallentaa ja siirtää nykyaikaisilla digitaalisilla elektronisilla ja laskentaohjelmistoilla.

• Muuntimet ja käänteismuuntimet: Perinteinen muuntimet muuntaa fyysisen määrän sähköiseksi signaaliksi. Käänteismuuntimet toimivat päinvastoin, ottavat sähköisen signaalin syötteenä ja muuntavat sen takaisin fyysiseksi määräksi, tehden prosessista perinteisen muuntimen käänteisen. Tämä käsite on hyödyllinen sovelluksissa, joissa tarvitaan sähköistä ohjausta generoidakseen tietyn fyysisen vastauksen.

Toiminnassa muuntimet vastaanottavat mittauskohteen - mitattavan fyysisen määrän - ja tuottavat ulostulonsignaalin, joka on verrannollinen syötteen suuruuteen. Tämä ulostulonsignaali välitetään sitten signaalikäsittelylaitteeseen. Siellä signaali käsittelyprosessien sarjan kautta, mukaan lukien vahvuuden säätö (signaalin amplitudin muuttaminen), suodatus (haluttujen äänien tai taajuuksien poistaminen) ja modulaatio (signaalin koodaaminen paremman siirron tai käsittelyn kannalta). Nämä vaiheet varmistavat, että lopullinen signaali on optimaalinen muodossa seuraaville analysointi-, näyttö- tai ohjaustoimille.

Muuntimen syöttötiedon on yleensä ei-sähköinen määrä, kun taas ulostulonsignaali voi olla muodossa sähkövirta, jännite tai taajuus.

1. Luokittelu muuntomuodon perusteella

Muuntimet voidaan luokitella käyttämänsä muuntomuodon mukaan. Muuntomuoto voi olla vastus-, induktanssi- tai kapasitiivinen. Tämä luokitus määräytyy muuntimen kautta, jolla syöttötiedon muuntimet muuntaa syöttösingnaalin vastukseksi, induktanssiksi tai kapasitanssiksi. Jokaisella muuntomuodolla on omat ainutlaatuiset ominaisuudet, ja ne sopivat erilaisiin mittaussovelluksiin, mahdollistaen erilaisten fyysisiä määrien tarkkan muuntamisen sähköiseksi signaaliksi.

2. Päämuuntimet ja toissijaiset muuntimet

• Päämuuntimet
  Muuntimet koostuvat usein sekä mekaanisista että sähköisistä komponenteista. Mekaaninen osa muuntimesta on vastuussa fyysisen syöttötiedon muuntamisesta mekaaniseksi signaaliksi. Tätä mekaanista komponenttia kutsutaan päämuuntimeksi. Se toimii ensimmäisenä havaintoelementtinä, joka suorasti vuorovaikuttelee mitatun fyysisen määrän, kuten paineen, lämpötilan tai siirtymän, kanssa ja muuntaa sen mekaaniseksi muodoksi, jota voidaan edelleen käsitellä.

• Toissijaiset muuntimet
  Toissijainen muuntimet ottaa päämuuntimen tuottaman mekaanisen signaalin ja muuntaa sen sähköiseksi signaaliksi. Ulostulonsignaalin suuruus on suoraan liittyvä syöttötiedon mekaanisen signaalin ominaisuuksiin. Näin toissijainen muuntimet yhdistää mekaanisen ja sähköisen alueen, tekemässä mahdolliseksi alkuperäisen fyysisen määrän mitattavaksi ja analysoitavaksi sähköisten mittaus- ja käsittelytekniikoiden avulla.

Esimerkki päämuuntimista ja toissijaisista muuntimista

Otetaan Bourdon'n putki, kuvassa alla, esimerkkinä. Bourdon'n putki toimii päämuuntimena. Sitä on suunniteltu havaitsemaan painetta ja muuntaamaan sitä siirtymäksi sen vapaassa päässä. Kun putkiin kohdistetaan painetta, sen muoto muuttuu, aiheuttaen vapaan pään liikkumisen. Tämä siirtymä toimii sitten seuraavan vaiheen järjestelmän syötteenä.

Bourdon'n putken vapaan pään liike aiheuttaa lineaarisen siirtymämuunnin (LVDT) ytimen siirtymisen. Kun ydin liikkuu LVDT:n sisällä, se aiheuttaa ulostulovoltin. Tämä aiheutettu jännite on suoraan verrannollinen putken vapaan pään siirtymään, ja seurauksena myös alkuperäiseen paineeseen, joka on kohdistettu Bourdon'n putkeen.

Bourdon'n putki - LVDT -järjestelmän tapauksessa kaksi erillistä muuntoprosessia tapahtuu. Ensiksi päämuuntiminen tapahtuu, kun Bourdon'n putki muuntaa paineen siirtymäksi. Sitten toissijainen muuntiminen tapahtuu, kun LVDT muuntaa tämän siirtymän sähköiseksi jännitesignaaliksi. Tämä esimerkki selkeästi osoittaa, miten pää- ja toissijaiset muuntimet toimivat yhdessä tarkan mittauksen ja fyysisen määrän muuntamisen sähköiseksi ulostuloksi lisäanalyysin ja käytön kannalta.

Bourdon'n putki toimii päämuuntimena, kun taas L.V.D.T. (Lineaarinen Siirtymämuunnin) toimii toissijaisena muuntimena.

3. Passiiviset ja aktiiviset muuntimet

Muuntimet voidaan myös luokitella passiivisiksi ja aktiivisiksi, jokaisella omilla toiminnallisin ominaisuuksin.

Passiiviset muuntimet

Passiivinen muuntimet on sellainen, joka toimii ulkopuolisen virranlähteen avulla, minkä vuoksi sitä kutsutaan myös ulkopuolisesti voitetuksi muuntimiksi. Kapasitiiviset, vastusperäiset ja induktanssi-peräiset muuntimet ovat tyypillisiä passiivisia muuntimia. Nämä muuntimet toimivat muokkaamalla sähköistä ominaisuutta (kuten vastus, kapasitanssi tai induktanssi) syöttötiedon fyysisen määrän mukaan. Ne eivät kuitenkaan luo omaa sähköenergiaa, vaan ne tarvitsevat ulkopuolisen virranlähteen tuottamaan mitattavaa ulostulonsignaalia, joka heijastaa muutosta mitatessa olevassa fyysisessä määrässä.

Aktiiviset muuntimet

Päinvastoin aktiivinen muuntimet ei tarvitse ulkopuolista virranlähdettä toimiakseen. Nämä muuntimet ovat itsegeneroivia, eli ne voivat tuottaa omansa jännite- tai sähkövirrasignaalin. Aktiivisen muuntimen ulostulonsignaali on suoraan johtunut syöttötiedon fyysisestä määrästä. Aktiiviset muuntimet kykenevät muuntaa erilaisia fyysisiä ilmiöitä, kuten nopeutta, lämpötilaa, voimaa ja valovoimakkuutta, sähköiseksi signaaliksi ilman ulkopuolista virranlähdettä. Aktiivisten muuntimien esimerkkeinä ovat piezoelektriset kristallit, fotovoltaiset solut, tachogeneraattorit ja termoparit.

Esimerkki: Piezoelektrinen kristalli

Aktiivisen muuntimen toiminnan havainnollistamiseksi otetaan esimerkiksi piezoelektrinen kristalli. Piezoelektrinen kristalli on yleensä asetettu kahden metallisen elektroden väliin, ja koko kokoonpano on turvallisesti kiinnitetty pohjaan. Massa sijoitetaan tämän paketin päälle.

Piezoelektriset kristallit omaavat ainutlaatuisen ominaisuuden: kun niihin kohdistetaan voima, ne tuottavat sähköisen jännitteen. Kuvatussa asetuksessa pohja voi kokea kiihtyvyyttä, mikä aiheuttaa massan kohdistavan voiman kristalliin. Tämä voima aiheuttaa sitten ulostulovoltin kristallessa. Tämän ulostulovoltin suuruus on suoraan verrannollinen pohjan kokenemaan kiihtyvyyteen, muuntamalla mekaanista kiihtyvyyttä sähköiseksi signaaliksi. Tämä esimerkki selkeästi osoittaa, miten aktiiviset muuntimet voivat itse tuottaa sähköisiä ulostuloja fyysisiä syötteitä perusteella, korostamalla niiden erityisyyttä passiivisiin muuntimiin verrattuna.

Yllä mainittu muuntimet tunnetaan kiihtyvyysmittarin nimellä, joka on suunniteltu muuntaamaan kiihtyvyyttä sähköiseksi jännitteeksi. Huomioitavaa on, että tämäntyyppinen muuntimet toimii ilman minkäänlaista apuvirranlähdettä fyysisen määrän muuntamisen sähköiseksi signaaliksi, osoittaen sen itsenäisyys signaalien tuotossa.

4. Analogiset ja digitaaliset muuntimet

Muuntimet voidaan myös luokitella niiden ulostulonsignalien luonnon perusteella, jotka voivat olla joko jatkuvia tai diskreettejä.

Analogiset muuntimet

Analoginen muuntimet muuntaa syöttötiedon jatkuvaksi funktioksi. Tämä tarkoittaa, että ulostulonsignaali vaihtelee sileästi ja jatkuvasti syöttötiedon muutosten mukaan. Analogisten muuntimien esimerkkeinä ovat venymismitat, lineaariset siirtymämuunnin (LVDT), termoparit ja termistorit. Nämä laitteet ovat laajasti käytettyjä erilaisissa sovelluksissa, joissa tarvitaan verrannollista ja jatkuvaa esitystä mitatusta fyysisestä määrästä, kuten tarkkuusmittausjärjestelmissä ja teollisuuden prosessihallinnassa.

Digitaaliset muuntimet

Digitaaliset muuntimet puolestaan muuntaavat syöttötiedon digitaaliseksi signaaliksi, yleensä pulssien muodossa. Digitaaliset signaalit toimivat binääristen tilojen perusteella, edustamalla tietoa joko "korkeana" tai "alhana" virtatasoissa. Tämä digitaalinen ulostulomuoto tarjoaa useita etuja, kuten parannettu melusuodattaminen, helpompi integraatio digitaaliseen elektroniikkaan ja laskentaohjelmistoihin, sekä yksinkertaisempi datan käsittely ja tallennus. Digitaalisia muuntimia käytetään yhä enemmän nykyaikaisissa mittaus- ja ohjausjärjestelmissä digitaalisten teknologioiden yleistyessä.

5. Muuntimet ja käänteismuuntimet

Muuntimet

Muuntimet määritellään laitteina, jotka muuntavat ei-sähköisiä määriä sähköisiksi määriksi. Tämä muuntoprosessi mahdollistaa erilaisten fyysisiä ilmiöiden, kuten lämpötilan, paineen, siirtymän ja voiman, mitattavuuden, valvontavuuden ja hallinnan sähköisten mittaus- ja käsittelytekniikoiden avulla. Muuntimet ovat olennaisia monissa sovelluksissa, teollisessa automaatiosta tieteelliseen tutkimukseen ja kuluttajaelektroniikkaan asti.

Käänteismuuntimet

Käänteismuuntimet suorittavat päinvastaisen toiminnon perinteisiin muuntimiin. Ne muuntavat sähköisiä määriä takaisin fyysisiksi määriksi. Nämä muuntimet tyypillisesti käyttävät korkeaa sähköistä syötettä ja vastaavaa alhaista ei-sähköistä ulostuloa. Käänteismuuntimet käytetään sovelluksissa, joissa sähköiset signaalit on käännettävä fyysisiksi toimiksi tai reaktioiksi, kuten tietyissä aktuaattoreissa ja ohjausjärjestelmissä. Käänteismuuntimien käsite tarjoaa keinon sulkea silmukan sähköisestä ohjauksesta fyysiseen toimintaan, mahdollistaen monimutkaisemman ja tarkemman mekaanisten ja fyysisten järjestelmien hallinnan.